Roboterarm konstruieren - Servo oder Schrittmotor bei 1kg Nutzlast

[Robendix]

Servus liebe Roboternetz Community,

ich bin gerade dabei für die Masterarbeit an einer Hochschule einen Roboterarm für einen mittelgroßen Rover zu konstruieren und tue mir gerade etwas schwer bei der Auswahl geeigneter Antriebe. Es gibt dazu bereits einen ähnlichen Thread an dem ich mich schon mal grob orientiert habe:

https://www.roboternetz.de/community/threads/75778-Auslegung-Schrittmotoren-f%C3%BCr-Greifarm

Dennoch wollte ich jetzt mal meine eigenen Parameter mit einbringen und fragen ob meine Überlegungen sinnvoll sind oder nicht. Zur Aufgabenstellung: Klassischer Knickarmroboter mit drei Gelenken (Schulter, Ellbogen, Handgelenk), steht auf einer Drehplatte und nach dem Handgelenk würde ich gern noch einen weiteren Motor anbringen, der quasi eine Rotation des Greifers vorne ermöglich. Anbei mal eine grobe Skizze:

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Der Roboterarm soll bei einer Länge von circa 74 Zentimetern ein Gewicht von max. 1kg heben, wobei der Arm an sich circa 1,5 kg wiegt. Wenn ich noch 500g Zusatzgewicht für die Elektromotoren kalkuliere, dann komme ich circa auf folgende Momentenverteilung:

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Also Schulter 22 Nm, Ellbogen 10 Nm und Handgelenk 2 Nm.

Bei den Motoren gibt es jetzt die Frage ob Schrittmotor oder Servomotor. Ich habe ein paar Seiten im Internet durchforstet die eher zum Schrittmotor tendieren, finde aber keinen der die Drehmomente liefert die ich brauche zu vernünftigen Rahmenbedingungen (Preis nicht zu exorbitant, Strombedarf sollte irgendwo bei 12V-24V sein, Gewicht nicht zu wild etc.). Ich habe mir mal zwei Szenarien überlegt und wollte fragen ob das grundsätzlich Sinn macht, welches von beiden mehr Sinn macht oder ob es noch andere Möglichkeiten gibt die ich vielleicht noch nicht bedacht habe.

Szenario 1: Dynamixel Servomotoren
https://www.reichelt.de/dynamixel-servomotor-rs485-schnittstelle-12-9-nm-37-u-min-xm540-w270-r-p291594.html?&trstct=pol_9&nbc=1
XM540-W270-R DYNAMIXEL-Servomotor
Knapp 13 Nm, 165g Gewicht, Vernünftige Abmaße
Davon zwei in die Schulter, einen in den Ellbogen und einen kleineren dieser Baureihe ins Handgelenk. Damit habe ich alle Drehmomente abgedeckt und laut diesen Dynamixel Infoseiten sollen die für den Anwendungsfall sehr gut zu programmieren sein. Meine Befürchtung: In dem anderen Thread habe ich vom User oberallgeier verstanden, dass man beim dimensionieren durchaus mal 100% auf das Drehmoment aufschlagen sollte. Dann hätte ich 44/20/4 für Schulter/Ellbogen/Hand und wäre ja deutlich über den 26/13/3 die mir diese Konfiguration bietet. Außerdem habe ich hiermit "nur" Servomotoren und wie gesagt habe ich das Gefühl, dass die meisten für die Anwendung Schrittmotoren empfehlen.

Szenario 2: Servomotoren mit NEMA Motoren in der Basis
https://www.reichelt.de/de/de/schrittmotor-hoch-drehmoment-hybrid-4-phasen-doppelwelle-nema23-01-p219026.html?PROVID=2788&gclid=Cj0KCQjwlOmLBhCHARIsAGiJg7kAZdpUBsZtLjk1RN94 qK8uYRKMXCv8ANlJhoM9JPAcPV-Gal1KJBIaAhdGEALw_wcB&&r=1
NEMA23-01
3 Nm, 1,5kg Gewicht
Wenn ich den mit dem 5:1 Getriebe ausstatte, den ich hier bei diesem Motor (NEMA17-05GM) gefunden habe:
https://www.reichelt.de/schrittmotor-nema-17-1-8-1-68-a-2-8-v-nema17-05gm-p269224.html?&nbc=1&trstct=lsbght_sldr::269228
Sollte ich ja nach Adam Riese auf 15 Nm Drehmoment kommen, zwei davon in der Basis als Schulter und in den anderen Gelenken die Dynamixel von Szenario 1 ergibt die Drehmomentkonfiguration 30/13/3. Macht das überhaupt Sinn in diesem Roboterarm zwei verschiedene Arten von Motoren zu benutzten oder wird das dann kompliziert bei der Steuerung? Ich hätte dann bei dem Szenario den Vorteil, noch etwas mehr Drehmomentreserve in der Schulter zu haben und die Vorteile vom Schrittmotor zumindest in der Schulter ausnutzen zu können. Den ganzen Arm mit Schrittmotoren auszustatten macht glaube ich keinen Sinn, da ja bereits der kleine NEMA17 mit Getriebe schon 500g wiegt und mir gerade mal 8,4 Nm bringt, was nicht mal für den Ellbogen reicht ohne das Gewicht mit einzuschließen. Das Gewicht von den beiden dicken NEMA23 ist natürlich wurscht, da der ja nicht zum Gewicht vom Arm dazuzählt.

Was denkt ihr, machen meine Überlegungen Sinn? Wenn ja, welches Szenario würde sich besser anbieten?`Wenn nein, wo haperts und was gäbe es für Alternativen?
Vielen Dank schon mal an alle die sich die Mühe machen alles durchzulesen, und würde mich natürlich riesig über hilfreiche Antworten freuen.

Viele Grüße, Robendix

[oberallgeier]

Servo oder Schrittmotor bei 1kg NutzlastHallo Robendix,
willkommen im Forum.

Nutzlast - und welche sonstigen Randbedingungen?
Sorry wenn ich statt ner Antwort ne Frage stelle. Was ist mit sonstigen Randbingungen? Ich meine hier weniger die angestebte Arbeits-/Verfahrgeschwindigkeit, die natürlich entsprechend das Motormoment beeinflussen, sondern mehr die Positioniergenauigkeit.

Die angestebte Arbeits-/Verfahrgeschwindigkeit hat Auswirkungen auf die erforderliche Beschleunigung (positiv wie AUCH negativ). Das sollte wenigstens überschlägig bedacht werden.

Meine primäre Anmerkung ist: bei nem "Roboterarm" ist die gewünschte/geforderte Positioniergenauigkeit nicht unbedeutend.

In meinem Servotester(-thread) (https://www.roboternetz.de/community/threads/62904-Servomesstester-%28Servotester-und-%C2%96messaufbau%29?p=585511&viewfull=1#post585511) ist im eingangs gezeigten Video (2:00 Minuten und folgende) eine Messung gezeigt mit der Belastung des Servos mit unterschiedlichen Lasten. Dabei hatte ich festgestellt, dass der betrachtete Servo bei seinem vom Hersteller genannten maximalen Drehmoment einen Positionierfehler von rund tausend Ticks hat. Den Schwenkbereich 180° fahre ich lastlos mit ca. 4000 Ticks (https://www.roboternetz.de/community/threads/62904-Servomesstester-%28Servotester-und-%C2%96messaufbau%29?p=619300&viewfull=1#post619300) , d.h. bei dem vom Hersteller angegebenen Nennmoment von 33 Ncm hätte (hat!) der Servo nen Schleppfehler von über 40° - total schwachsinnig, er ist einfach völlig überlastet. Dagegen ist der Schleppfehler bei 0,6 Ncm ca. 60 ticks, auch schon ca. 2,5 Grad. Deutlich bessere Servos - nicht unbedingt stärkere - haben deutlich geringere Schleppfehler (ich habe keine Erfahrung mit den richtig hochpreisigen Modellbauservos). Schleppfehler = Regelsteifigkeit im zulässigen Arbeitsbereich.

Ca. Tabelle (Ncm, ticks, Videolaufzeit)
0 . . . . . . 5270 ticks (2:06)
0,6Ncm . . 5329 ticks (2:12)
33 Ncm . . 6299 ticks (2:21)

Ich sehe darin die Schwäche mancher Servos. Bei nem Eigenbauservo auf Grundlage von Encodermotoren - ebenso mit manchem Spitzenservo - kann ich durch geeignete Wahl von Motormoment, Dynamik(z.B. Motorzeitkonstante) und Regelalgorithmus (bei mir fast nur PID-Regler) ne bessere Regelsteifigkeit erhalten.

Bei Schrittmotoren verliere ich bei Überlast (oder sonstigen :-/ Störungen) schnell ein paar Schritte, sodass weder Positionierbarkeit noch Wiederholgenauigkeit in nem sinnvollen Bereich sind. Hier hilft - sogar nur für die genaue Positionierbarkeit beim Start -eine geeignete Startroutine oder Abfahr-Stop-Routine, evtl. mit ner Schleichfahrt bis zu nem Anschlag mit Sensor. Allerdings: mit Schrittmotoren habe ich keinerlei Erfahrung.

[morob]

was ist ein mittelgroßer rover? 1:8 oder 1:10?
ich frage wegen den massen.

[Robendix]

Servus und danke schon mal für die Rückmeldungen.

Zur Positioniergenauigkeit, der Arm soll beispielsweise eine Flasche greifen und an einer anderen Stelle wieder ablegen, also z. B. in ein Zielfeld 20x20cm. Also muss nicht auf den Milimeter oder gar Zentimeter genau sein. Auch die Verfahrgeschwindigkeit ist jetzt nicht ausschlaggebend, also wenn der Roboter die Stelle anfährt, dann kann die Greifaktion von ausfahren, zugreifen und hochheben auch bis zu beispielsweise 10 Sekunden dauern. Wegen der Schleppfehlerthematik würde ich mal erwarten, dass ein fast 400€ Servo da brauchbare performance bietet, was meint ihr?

Der Rover an sich von der Größe, der ist circa 50x40x40 groß und sollte vom Gegenwicht her problemlos ausreichen, falls das die Überlegung war. Ich kann ja den dann auch mit zusätzlich Gewicht beladen, wie extra Akkus etc.

[oberallgeier]

.. beispielsweise eine Flasche greifen .. muss nicht auf .. Zentimeter genau sein ..Wundert mich. Bei ner Flasche ca. Ø 60 mm und zwei Zentimeter "danebengreifen" dürfte die Flasche umfallen.


.. ich bin gerade dabei für die Masterarbeit an einer Hochschule einen Roboterarm für einen mittelgroßen Rover zu konstruieren ..Ach so, nur ungefähr, alles nur theoretisch. . . ;֊)

[Robendix]

Mein Hintergedanke war, dass ich den Greifer sowieso deutlich breiter auslege und dann ja noch genügend Luft habe um Ungenauigkeiten auszugleichen. Also bei einer Ø 60 mm Flasche mit einer 150 mm Zange sollte der die Flasche ja recht einfach umgreifen können und dann einfach auf 60 mm zusammenfahren.


Wäre natürlich angenehm wenn es hier nur um eine theoretische Auslegung geht, da der aber tatsächlich aufgebaut und in Betrieb genommen werden soll will ich selbstverständlich keinen Schrott kaufen. Daher leuchtet mir das ein, dass zwei Zentimeter danebengreifen vielleicht für spätere Anwendungen ungünstig sind. Die erste Aufgabe die der Arm erfüllen soll wird ihm "hart" eingecodet, kommende Studenten sollen dem dann eine autonome, sensorgesteuerte Aktion beibringen. Ich möchte ein "Nach-mir-die-Sinnflut" vermeiden, falls die von mir gewählten Motoren dafür ungeeignet sind und bin daher ganz Ohr für sämtliche Verbesserungsvorschläge!

[jmoors]

Wenn Du mit dem Greifer Genauigkeit erreichen willst, geht das nur über einen Regelkreis. D.h. der Arm bewegt sich und eine Kamera muss über Bilderkennung den Greifer erkennen und nachjustieren.
Statt der Bilderkennung kannst Du auch versuchen, mit Tastern als Messgeber zu arbeiten.

[oberallgeier]

Mein Hintergedanke .. den Greifer .. mit einer 150 mm Zange .. Flasche .. dann einfach auf 60 mm zusammenfahren ..Es mag ja pessimistisch klingen, ist (bei mir) aber eher die Gewohnheit aus langjähriger Praxis mit FMEA - und da klingt das einfache Zusammenfahren schon ein bißchen nach Umwerfen einer exzentrisch stehenden Flasche. Insofern käme mir auch, beispielsweise, ".. Bilderkennung .. Tastern als Messgeber .." in den Sinn.

Abgesehen davon:
.. dann komme ich circa auf folgende Momentenverteilung: .. Handgelenk 2 Nm ..Ne Zange mit 150 mm Spannweite, 75 mm Verfahrweg der Backen und ein Kilo Tragfähigkeit (auf Reibung) klingt mir doch nach ner ziemlich massigen Baugruppe. Ob da die satt klingenden 2 Nm am Ende nicht doch wenig sind? Da dürfte z.B. die von jmoors bereits angedachte Bilderkennung Möglichkeiten für ne erhebliche Strukturersparnis bieten. Zumal sich erspartes Strukturgewicht am Ende des Armes direkt auf Strukturgewicht (Armfestigkeit, Motorengröße usf) des Armes bis in den "Fuß" hinein auswirkt.

[Robendix]

Eine Kamera wollte ich sowieso implementieren, da ja wie gesagt meine Nachfolger sowieso in die Richtung autonome Steuerung gehen wollen. Erfreulicherweise wiegt die Kamera, die wir dafür benutzen würden (Intel realsense d435i) auch nur 76g, also denke ich wir da vom Gewicht her eine relativ leichte Baugruppe als Greifer hinbekommen sollten. Falls die 2 Nm zu klein kalkuliert sind, kann ich im Handgelenk auf einen der größeren Dynamixel umsteigen, z.B. gleich den mit ca. 5 Nm einplanen. Vom Gewicht her wären wir dann in Summe immer noch unter den 500g Budget die ich für die Motoren in Summe eingeplant hätte.

Also mein Setup wäre dann:
Den großen 12 Nm aus dem Eingangsposting (XM540-W270-R DYNAMIXEL-Servomotor)
2x in der Schulter, 1x im Ellbogen

Einen kleineren 4 Nm (z.B. XH430-W350-R DYNAMIXEL)
1x im Handgelenk zum schwenken

Einen noch kleineren 3 Nm (z.B. XL430-W250-T)
1x im Greifer zum rotieren

Dazu verbaue ich die Kamera am Greifer für einen vernünftigen Regelkreis. Macht dieses Setup Sinn?