Welche Aktoren eignen sich am besten für humanoiden Roboter?

[skullmonkee]

Hallo liebe RN Community,

zur Zeit arbeiten ein Kommilitone und ich an einem humanoiden Roboter, für den wir noch den passenden Aktor suchen.
Der Roboter sollte später laufen können, sich flüssig bewegen können und sich auch frei bewegen können. Jetzt haben wir vor ein paar Tagen das neue Video von BostonDynamics von "Atlas" gesehen, und uns gefragt, welche Aktoren dieser benutzt. Durch etwas Recherche haben wir herausgefunden, dass Hydraulikzylinder genutzt werden. Das macht Sinn, da diese bei Sprüngen nachgiebig sind, Stöße gut absorbieren können und vor allem superschnelle Bewegungen ermöglichen.
Wir haben uns nun gefragt, ob vielleicht ein elektrischer Zylinder ebenfalls dafür geeignet wäre? Da wir noch nie mit solchen Zylindern gearbeitet haben, sind wir uns aufgrund der Verzahnung des Motors allerdings nicht so sicher, ob dieser auch Stöße absorbieren kann.
Als zusätzliche Alternative haben wir uns McKibben Muskeln überlegt, welche wir hydraulisch antreiben würden. Dies ist wichtig für uns, da der Roboter keinen eigenen Kompressor haben sollte und kleinere Hydraulikpumpen leiser sind.
Der Nachteil den wir dabei sehen, sind allerdings mögliche Lecks und das Material für den Schlauch müsste ebenfalls höhere Temperaturen aushalten und bei Stößen nicht platzen.

Jetzt ist unsere Frage nun, welcher Aktor eignet sich am besten für unser Vorhaben? Hat schon jemand Erfahrungen mit entsprechenden Aktoren gemacht und könnte uns vielleicht besser erklären, ob diese für unser Vorhaben geeignet sind? Oder gibt es möglicherweise sogar bessere Alternativen, wo die Vorteile die Nachteile überwiegen?

Die wichtigsten Kritikpunkte, absteigend, für uns sind:


hoher Energieoutput, sprich starke Stöße
Gute Schockabsorption
schnelle und flüssige Bewegungen (am besten so schnell/flüssig wie Hydraulik-/Pneumatikzylinder)
gute Energieeffizienz
ggf. leichte Ansteuerung ohne zusätzliche Medien wie zum Beispiel Kompressoren oder Pumpen


Wir bedanken uns schon mal im Voraus für die Antworten :)

[Moppi]

Hallo,

so ähnliche Themen gab es schon, wie z.b:
https://www.roboternetz.de/community/threads/71559-Pneumatik-Hydraulik-fragen
https://www.roboternetz.de/community/threads/66982-humanoide-Roboter
https://www.roboternetz.de/community/threads/69278-Hydraulischen-Roboter

MfG
Moppi

[oberallgeier]

.. humanoiden Roboter .. passenden Aktor .. Hydraulikzylinder .. macht Sinn, da diese bei Sprüngen nachgiebig sind, Stöße gut absorbieren können und vor allem superschnelle Bewegungen ermöglichen ..Na ja, Hydraulik kann man so sehen. Oberflächlich betrachtet. Denn Öl ist, wie viele Flüssigkeiten, inkompressibel 1). Die Stoßabsorption klappt nur mit viel Beiwerk, Ventilen mit hohen Durchflussraten, ausgefeilter Regelungstechnik inklusive entsprechender Sensorik usf.
1) Nein, ist es nicht. Bei sehr hohen Genauigkeitsanforderungen hatte ich mal die Kompressibilität von Hydrauliköl beachtet, auch selbst vermessen, und die war dort dann doch zu berücksichtigen.

Eure Problembeschreibung und die Liste der "Kritikpunkte" (ähh - ich würde das als Forderungsliste bezeichnen, aber egal) scheint mir etwas dünn, eher zu dünn. Mehr Vorüberlegungen fände ich unumgänglich. Eine Art wie man (auch ich) sich solchen Problemkonglomeraten nähert sind Abschätzungen, wie sie i_make_it in diesem Posting (https://www.roboternetz.de/community/threads/69278-Hydraulischen-Roboter?p=627556&viewfull=1#post627556) wunderbar vorstellt. Für eine umfangreiche Neuentwicklung, etwa in der Art die euch vorschwebt, hatte ich mal mit meinen Vorüberlegungen einen ganzen Ordner gefüllt - und mir erhebliche Kritik eingehandelt: " .. nur Papier produziert .. nix entwickelt ..". Gegen mehrere Innovationspreise für das später entstandene Produkt hatte aber dann niemand etwas einzuwenden.

[skullmonkee]

Vielen Dank erst mal für die Antworten. ;)

Tut mir leid, wenn ich etwas zu unpräzise und falsch formuliert habe - nach einigem Überlegen fragen wir uns allerdings, ob sich elektrische Linearaktoren nicht besser eignen würden?
Hydraulische Aktoren und Systeme sind unserer Meinung nach sehr schwer zu regeln (vor allem wegen Lecks), und zudem extrem teuer, weshalb uns auch Alternativsysteme (speziell lineare Aktoren) auch eigentlich mehr interessieren. Das Hauptproblem bei linearen Aktoren ist jedoch die geringe Schockresistenz, da diese durch die Motoren Getriebe besitzen und Schockbelastungen demnach das Getriebe zerstören würden, oder zumindest die Lebenserwartung massiv beeinflussen würden.
Außerdem entwickeln lineare Aktoren auch viel geringere Kräfte im Vergleich zu fluidtechnischen Aktoren.
Wir haben jedoch eine Firma gefunden, welche lineare Aktoren mit relativ hohen Hubkräften (Kontinuierliche Kraft bis zu 5,897 N) und für lineare Aktoren relativ hohe Geschwindigkeit (Bis zu 635 mm/s für Wechselstrom und 508 mm/s für Gleichstrom) herstellt. Allerdings wäre hier wieder das Problem mit der fehlenden Schockresistenz für Einsätze in unkontrollierten Umgebungen. :/

Hier ein mal der Link: https://exlar.com/de/produkt/ttx-serie/ und der hier: https://exlar.com/de/produkt/gtx-serie/

Der Beitrag von i_make_it ist sehr interessant! Vielen Dank für den Link.

Die Vorüberlegungen würden uns sehr interessieren. Besteht noch Zugang zu diesen? Wir sind da offener :p

[shedepe]

Hallo,
habt ihr euch davor mal intensiv mit dem Problem der Humanoiden Roboter befasst?
Es gibt ja sehr viele wissenschaftliche Veröffentlichungen dazu. An eurer Stelle würde ich mich erst mal da durchwühlen:
z.B (Sollte aus eurem Uni Netz hoffentlich lesbar sein)
https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/677288/
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/rob.21560
https://idp.springer.com/authorize/casa?redirect_uri=https://link.springer.com/article/10.1007/s10514-015-9479-3&casa_token=xR_V6WK_KPUAAAAA:uKo1mrIxr-Im0ClKRefzcVJBEcxB-1HhwWKnrmRP3zk5UvKbQ5XG1MvRdgqCm-wpszQ0AIjFdJzSVd_Unw

Ich kann dazu nur empfehlen mal mit Google Scholar nach weiteren Veröffentlichungen zu suchen.
Grade wenn man noch keine Erfahrungen mit Humanoiden hat, würde ich zu Elektrischen Aktoren raten. Allein das Problem wie man einen sinnvollen Gang generiert beschäftigt seit Jahrzehnten Wissenschaftler. Ich würde einschätzen, dass man mit elektrischen Aktoren flexibler ist, da man weniger Vorwissen in die mechanische Konstruktion einbringen muss um trotzdem Laufen zu können. Außerdem ist meine Einschätzung, dass man bei dem Erstlingswerk sich erstmal überhaupt auf Laufen und nicht auf dynamisches Laufen konzentrieren sollte. Hinter dem dynamischen Laufen steckt sehr ausgefeilte Regelungs bzw. Optimierungstechnik, mit der alleine man schon Jahre verbringen kann.

Bezüglich konkreter Motoren. Wenn ich mich nicht täusche hat die ETH Zürich vor 1 oder 2 Jahren spezielle Motoren für Robotikanwendungen vorgestellt (kompakt, hohes Drehmoment). Konnte die aber nicht mal eben finden (Sind vermutlich auch eine Preisklasse für sich)
Habt ihr schon Vorstellungen wie schwer das werden soll? Dann könnt ihr ja mal Aufzeichnen wie eure Kinematik aussehen soll und auf Basis davon ein Kinematisches und Dynamisches Modell bestimmen. Dann könnt ihr danach ziemlich einschätzen wie viel Drehmoment ihr braucht.

[oberallgeier]

.. Allein das Problem wie man einen sinnvollen Gang generiert beschäftigt seit Jahrzehnten Wissenschaftler ..Nicht nur der Gang (von allem was kreucht und fleucht), eigentlich sind Bewegungen an sich meist sehr komplex. Katja (https://www.uni-heidelberg.de/exzellenzinitiative/zukunftskonzept/young_mombaur.html) beschäftigt sich im ORB (https://typo.iwr.uni-heidelberg.de/groups/orb/people/prof-katja-mombaur/) seit Jahren mit Hominiden in Bewegung - ich würd mal dort reinschauen. Vielleicht ist ja Heidelberg in der Nähe des TO ?

[skullmonkee]

Hallo,
habt ihr euch davor mal intensiv mit dem Problem der Humanoiden Roboter befasst?


Ja haben wir - und uns sind die derzeitigen Herausforderungen durchaus bewusst. ;)
Allerdings geht es uns primär um die Aktoren an sich, weshalb wir ja den Thread aufgemacht haben. Mit elektrischen Aktoren ist man ja nicht nur flexibler was die Ansteuerung angeht, sondern spart sich auch die ganzen (teuren) Zusatzbauteile wie Ventile, Pumpe, Behälter usw..

Was uns am wichtigsten bei der Auswahl des elektrischen Aktors ist, ist dass er Stöße und Erschütterungen aushalten kann und nicht so schnell kaputtgeht. Was ja oftmals aufgrund des Getriebes sehr schwer umsetzbar ist. Es bringt uns ja nichts, wenn wir normale Motoren einbauen, welche dann durch die dynamischen Bewegungen und einwirkenden Querkräfte später kaputtgehen.

Wir agieren nach dem bionischen Vorbild und hätten bezüglich der mechanischen Konstruktion und der Regelung der Bewegungen später einige unserer Profs als Ansprechpartner.

Aber trotzdem vielen Dank für die Vorschläge - dann haben wir auf jeden einige zusätzliche Anlaufstellen. :)
Mit dem Motor der ETH Zürich werde ich mal etwas nachforschen, hört sich ja sehr interessant an. Kann dieser aber auch harte Bewegungen und Querkräfte absorbieren?

[shedepe]

Die Kräfte die ein Motor bzw. dessen Getriebe ab kann hängt maßgeblich von der Auslegung des Getriebes ab. Da gibt es maximale Kräfte die erlaubt sind. Ohne ausführliche Überlegungen wie groß diese sein können, macht es aber keinen Sinn Motoren dafür raussuchen zu wollen.
Wie gesagt: Kinematische und Dynamische Modell aufstellen, vllt. sogar Simulieren. Dann kann man sagen was man für Motoren braucht.

[skullmonkee]

Okay, also ist eine Abfederung grundsätzlich möglich? Das ist gut zu wissen.
Dann wissen wir ja, wie wir jetzt weitermachen. Danke :)

[HaWe]

Ja haben wir - und uns sind die derzeitigen Herausforderungen durchaus bewusst. ;)
Allerdings geht es uns primär um die Aktoren an sich, weshalb wir ja den Thread aufgemacht haben. Mit elektrischen Aktoren ist man ja nicht nur flexibler was die Ansteuerung angeht, sondern spart sich auch die ganzen (teuren) Zusatzbauteile wie Ventile, Pumpe, Behälter usw..

Was uns am wichtigsten bei der Auswahl des elektrischen Aktors ist, ist dass er Stöße und Erschütterungen aushalten kann und nicht so schnell kaputtgeht. Was ja oftmals aufgrund des Getriebes sehr schwer umsetzbar ist. Es bringt uns ja nichts, wenn wir normale Motoren einbauen, welche dann durch die dynamischen Bewegungen und einwirkenden Querkräfte später kaputtgehen.

Wir agieren nach dem bionischen Vorbild und hätten bezüglich der mechanischen Konstruktion und der Regelung der Bewegungen später einige unserer Profs als Ansprechpartner.

Aber trotzdem vielen Dank für die Vorschläge - dann haben wir auf jeden einige zusätzliche Anlaufstellen. :)
Mit dem Motor der ETH Zürich werde ich mal etwas nachforschen, hört sich ja sehr interessant an. Kann dieser aber auch harte Bewegungen und Querkräfte absorbieren?
Schneckengetriebe können Bewegungen nicht abfedern, da sie gegen äußere Kräfte sperren.
Zahnradgetrieben macht das deutlich weniger aus, sie können ja auch manuell hin und her verstellt werden. Sie haben allerdings je nach Bauart/Untersetzung eine gewisse Trägheit, die bei schnellen Stößen dennoch nicht schaffen, rechtzeitig und im nötigen Rahmen "abfedern" zu können.
In diesen Fällen könnte man aber passive Zusatzgelenke mit kräftigen doppelten Zugfedern (gegen Extension und Flexion) als "Soll-Knickstellen" einbauen, die die Stoßkräfte gegenüber den Motorachsen aufnehmen.

[oberallgeier]

.. am wichtigsten bei der Auswahl des elektrischen Aktors .. Stöße und Erschütterungen aushalten .. oftmals aufgrund des Getriebes sehr schwer umsetzbar ..Bei Linearmotoren und Stößen und Erschütterungen denke ich wirklich nicht mehr an Getriebe, da steht mir nicht nur ne Motorzeitkonstante im Weg. Linearmotoren wären mE nach DIE Wahl - Geschwindigkeit obere einstellige m/s und weit über 500 m/s² . . .


.. also ist eine Abfederung grundsätzlich möglich? Das ist gut zu wissen. Dann wissen wir ja, wie wir jetzt weitermachen ..Ah, dann ist ja alles in Butter. Ich schreibe einfach zu viel und habe wohl zu viel Bedenken.

[skullmonkee]

Ah, dann ist ja alles in Butter. Ich schreibe einfach zu viel und habe wohl zu viel Bedenken.


So war das nicht gemeint :p
Ich meinte nur, weil wir jetzt wenigstens eine Vorstellung davon bekommen, dass so etwas überhaupt möglich ist und man darauf weiter aufbauen kann. Ich weiß die Bedenken und Tipps ja zu schätzen!


Bei Linearmotoren und Stößen und Erschütterungen denke ich wirklich nicht mehr an Getriebe, da steht mir nicht nur ne Motorzeitkonstante im Weg. Linearmotoren wären mE nach DIE Wahl - Geschwindigkeit obere einstellige m/s und weit über 500 m/s² . . .

Linearmotoren hatte ich eigentlich auch die ganze Zeit gemeint. Ich dachte, da gäbe es keine Unterschiede, da diese ja auch Motoren/Servos besitzen, welche über Getriebe versetzt sind, oder irre ich mich da?


In diesen Fällen könnte man aber passive Zusatzgelenke mit kräftigen doppelten Zugfedern (gegen Extension und Flexion) als "Soll-Knickstellen" einbauen, die die Stoßkräfte gegenüber den Motorachsen aufnehmen.
Über sowas in der Art habe ich auch nachgedacht... Das scheint mir ein ganz guter Ansatz für das Problem zu sein. :D

[oberallgeier]

.. Linearmotoren .. gemeint. Ich dachte, da gäbe es keine Unterschiede .. Motoren/Servos besitzen .. über Getriebe versetzt sind, oder irre ich mich da ..Oh. Da kommen ein bisschen Semantik, Definition und Fake zusammen. Linear ist linear und nicht rotatorisch. Das ist der kleine Unterschied zwischen Linearmotoren und Linearmotoren. Die, die auch als Elektrozylinder bezeichnet werden (können). Aber manchmal sagen manche halt immer Linearmotor.

[HaWe]

Oh. Da kommen ein bisschen Semantik, Definition und Fake zusammen. Linear ist linear und nicht rotatorisch. Das ist der kleine Unterschied zwischen Linearmotoren und Linearmotoren. Die, die auch als Elektrozylinder bezeichnet werden (können). Aber manchmal sagen manche halt immer Linearmotor.

vielleicht sollte man besser von Linear-Aktuaktor ("Elektrozylinder", ähnliche Form wie Pneumatikzylinder) und Linearmotor (wie bei der Transrapid-Magnetschwebebahn) sprechen.