Laufmaschine mit kompletter Antriebstechnik in Gehäuse

[BigBear]

Hallo,

Ich hab auch noch einen Prototypen gebaut, den ich hier mal zeigen möchte:

Der Prototyp wurde aus Plexiglas mit einer Laserschneidanlage ausgeschnitten. Dabei habe ich drauf geachtet, 6mm Plexiglas zu benutzen und dann die Löcher, welche nach dem Laserschneiden doch recht konisch waren, mit einem 4,8 Bohrer aufzubohren.
Dadurch kann man die komplette Lego Technik Produktpalette damit benutzen.

Deswegen ist das Bein auch sehr dick geworden. In der Endversion sollte ein 3 mm Aluminiumblech auch den Belastungen standhalten.

Die Achsen biegen sich zwar schon ziemlich durch, es scheint aber zu halten.

Bild hier  
Noch in der Laserschneidanlage. Da kann man dann die einzelnen Teile einfach rausnehmen.

Bild hier  

Gesamtansicht..

Die Langen Stangen hinten sind nur, damit man schön damit Spielen kann.
Es erinnert sehr stark an die Bagger-Konstruktionen, die man oft auf Spielplätzen findet.

Bild hier  

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Bild hier  

Bild hier  

Bild hier  

Bild hier  

Vor allem in den 2 unteren Bilder sieht man den konischen Schnitt, den die Laseranlage hat...

[BigBear]

Hallo Klingon77,

Vielen Dank für die ausführliche Antwort und Begrüßung im Forum.

Müssen es wirklich so viele Gelenke im Bein sein?

Hmmm, gute Frage. Klar verliert man einiges an Kraft und hat vielleicht auch so viel Spiel. Aber noch möchte ich an der Vielzahl der Gelenke festhalten. Falls ich wirklich gar nicht zurechtkomme, kann ich auch noch weniger machen. Aber so, es schaut mit weniger eben nicht mehr ganz so feingliedrig aus. Aber ich spiele auch schon seit einiger Zeit mit dem Gedanken.
Klar, du hast recht, dass es eher mehr wie ein Finger ausschaut. Aber für einen Finger ist es leider zu groß Sonst könnte man da schon eine Hand daraus bauen.

Zur Anordnung der dritten Antriebsrichtung (zum Laufen) kannst Du das Bein soweit es bis jetzt gezeichnet ist auf eine Plattform setzten welche Du über zwei Punkte lagerst und dann drehst.

Ja, stimmt. Aber die Lagerungspunkte müssen dann über und unter der Konstruktion sein. (oder Komplett daneben, was des für Auswirkungen für die Regelung und die Bewegungen hat, hab ich mir noch nicht überlegt.)

Weniger Beine erhöhen das Raumangebot im Korpus und vermindern die Probleme (Programmierung und Laufalgo).
Deine Mechanik sollte ausreichtend stabil sein um das anvisierte Gewicht auch auf drei Beinen zu tragen (3:3-Gang bei sechs Beinen).
Es wäre dann zwar keine "echte Spinne" würde aber ähnlich aussehen und für Deine Zwecke ausreichen.

Stimmt! Aber 8 wären schon cool
Mal schaun, da bin ich noch unschlüssig.

Wo bekommst Du die Kugelumlaufspindeln und -muttern mit entsprechend kleinem Durchmesser her?
Ich habe auch schon länger danach gesucht und nichts passendes gefunden.
Selbst TR-Gewinde sind in kleinen Größen schwer aufzutreiben.

http://www.karl-hipp.de/
http://www.karl-hipp.de/files/downlo...tkatalogDE.pdf (2,95MB)

Durchmesser von 4 mm bis 16 mm

und

http://www.steinmeyer.com/
http://www.steinmeyer.com/kataloge/pdf/kgtkl.pdf (1,9 MB)

Durchmesser von 3 mm bis 16 mm

Eine Presspassung würde ich Dir für die Lagerung im Beinbereich nicht empfehlen. Die Reibung wäre unvertretbar hoch.
Eine Übergangspassung mit einer "flexiblen" Gleitlagerhülse z.B: aus Nitralon oder ähnlichem Werkstoff wäre da, glaube ich, besser geeignet.

http://www.iglidur.de/default.asp?PA...DUR&CID=011104

Dort gibt es Gleitlagerbuchsen, die ich da verbauen möchte. Da stehen dann auch genau die Rauhigkeitswerte, die die Gleitlager benötigen. (und auch die Passungen.) Danach versuch ich mich zu richten.

Um die Schwingungen, welche bei der Beinlänge unweigerlich im "Laufbetrieb" auftreten (Aufschaukeln des Korpus beim Laufen) etwas zu dämpfen würde ich die vorderen und hinteren Bleche eines Beinesegmentes (aus der Draufsicht berachtet) mit Hilfe von Verstrebungen (V-Form oder W-Form oder ähnlich diagonalesm versteifen.
Diese Elemente könnte man durch entsprechende Taschen in den Beinstrebe-Teilen sehr gut formschlüssig platzieren und dann mit einem guten Metallkleber miteinander verbinden.
Die Maßhaltigkeit der Beinelemente sollte dann nicht darunter leiden.

Des ist eine sehr gute Idee. Werd des mal in meine Konstruktion übernehmen. Es stört eigentlich ned, sollte nicht zu viel Material ( und damit Gewicht) mit sich bringen und hat bestimmt eine hervorragende Wirkung.

Danke!


Viele Grüße,

BigBear

[Klingon77]

hi,

ich kann Dich gut verstehen, wenn Du lieber mit 8 Beinen statt mit sechs arbeiten möchtest



Den Hüftgelenks-Drehpunkt würde ich in die Mitte setzten; wie in Deinem ersten Foto.
Nun bin ich beileibe nicht das Matheass, könnte mir aber vorstellen das die zentrale Anordnung die spätere Rechenarbeit etwas mindert.


Mal Dank für die beiden Link´s zu den Kugelumlaufspindeln.
Wirklich sehr interessant \/

Ich liebe ja filigrane Dinge und bastele auch gerne damit.


Bekommst Du bei einer Tragzahl für eine 3mm Spindel von ca. 90-120N keine Probleme mit der Lebensdauer?
Bedenke Den Hebelarm des Beines, den Kraftarm und das Gewicht?
Nun habe ich da nichts gerechnet; ist nur aus dem hohlen Bauch heraus.


Die IGUS-Buchsen kannte ich; habe mich aber noch nicht mit den zugehörigen Passungen beschäftigt.
Da kann ich mir schon vorstellen daß diese auch mit einer Übermaßpassung laufen.

Hoffentlich macht sich das Losbrech-Moment nicht bemerkbar; sollte eigentlich bei entsprechend dünnen Achsen nicht das Problem sein...


Nun bin ich wirklich gespannt, wie es weiter geht.
Insbesonere der Aufbau der Mechanik und die detailierten Lösungsansätze.

Was dann später in der Software und Elektronik passiert...
...da muß ich noch viel lernen (bin nur ein kleiner "Praktiker").


Wie möchtest du die Hüftgelenks-Plattform antreiben?
* Zahnriemen (spielarm und in Grenzen elastisch)
* Schnecke (nicht leicht einzustellen und starr)
* Anlenkhebel (je nach Lagerung starr und recht genau oder elastisch. Erhöhter Rechenaufwand da nicht linearer Verlauf der Auslenkung)
* oder etwas was ich nun nicht bedacht habe?

liebe Grüße,

Klingon77

[BigBear]

Hi Klingon77,

Den Hüftgelenks-Drehpunkt würde ich in die Mitte setzten; wie in Deinem ersten Foto.
Nun bin ich beileibe nicht das Matheass, könnte mir aber vorstellen das die zentrale Anordnung die spätere Rechenarbeit etwas mindert.

Ich rechne mit Matrizentransformationen (Denavit-Hartenberg) da ist des nur eine weitere Matrize, die man da einfach mit Multipliziert.

Aber des Bahnplanen wird dadurch sicher ned einfacher, da Stimme ich dir zu.

Ich bin noch am ausprobieren.

Bekommst Du bei einer Tragzahl für eine 3mm Spindel von ca. 90-120N keine Probleme mit der Lebensdauer?
Bedenke Den Hebelarm des Beines, den Kraftarm und das Gewicht?
Nun habe ich da nichts gerechnet; ist nur aus dem hohlen Bauch heraus.

Ich würde die 8mm Spindel nehmen. Die hält des dann schon her.

Ja, da ist mir nochwas bei der Berechnung aufgefallen:

Ganz gestreckt erhalte ich (Worst Case) bei 100 N Krafteinleitung 6 N (!) als resultierende, auf den Boden wirkende Kraft.
Für einen 10kg Robo müsste ich mit einem Bein (wieder Worst Case) 50 N tragen.

Benötige Kraft * Kraft pro 100 N = Faktor
50 N / 6 N = 8,3

Krafteinleitung * Faktor = Benötigte Krafteinleitung
100 N * 8,3 = 833 N

Formel für Gewindespindeln:
(Benötigte Krafteinleitung * Spindelsteigung) / (2* PI * Spindelwirkungsgrad) = Drehmoment

Spindelsteigung = 2 mm
Spindelwirkungsgrad von Kugelgewindetrieben: 70 - 80 %

(833 N * 0.002 m ) / ( 2 * 3,14 * 0,70) = 0.378 Nm ( = 38 Ncm)

Krafteinleitung / Getriebeuntersetzung = Motordrehmoment
0.378 Nm / 246 = 1.5 mNm ( = 0.15 Ncm)

Mit dem Wirkungsgrad aus Getriebe und Konstruktion:
0,6 * 0,6 = 0,36

0,15 Ncm / 0,36 = 0.42 Ncm


Wäre also kein Problem für dem Motor. (schafft zwischen 5 und 6 mNm)
Nur, dann muss mein Motor ziemlich hoch drehen, damit da am Schluss noch bisschen Bewegung rauskommt. (Riesige Untersetzung durch Getriebe und Spindel)

Und, ob des des Getriebe mitmacht ist so eine Frage. Da muss ich nochmal mit Faulhaber telefonieren.

Die IGUS-Buchsen kannte ich; habe mich aber noch nicht mit den zugehörigen Passungen beschäftigt.
Da kann ich mir schon vorstellen daß diese auch mit einer Übermaßpassung laufen.

Ja, denke auch

Hoffentlich macht sich das Losbrech-Moment nicht bemerkbar; sollte eigentlich bei entsprechend dünnen Achsen nicht das Problem sein...

Des hoffe ich auch...

Nun bin ich wirklich gespannt, wie es weiter geht.
Insbesonere der Aufbau der Mechanik und die detailierten Lösungsansätze.

Ja ich auch..

Was dann später in der Software und Elektronik passiert...
...da muß ich noch viel lernen (bin nur ein kleiner "Praktiker").

Oja, da kommt noch einiges auf mich zu!

Wie möchtest du die Hüftgelenks-Plattform antreiben?
* Zahnriemen (spielarm und in Grenzen elastisch)
* Schnecke (nicht leicht einzustellen und starr)
* Anlenkhebel (je nach Lagerung starr und recht genau oder elastisch. Erhöhter Rechenaufwand da nicht linearer Verlauf der Auslenkung)
* oder etwas was ich nun nicht bedacht habe?

Hmm, Schneckengetriebe oder über Zahnräder direkt angetrieben wäre schon eine gute Möglichkeit.
Ich weiß hald immer noch ned, wo ich die Motoren unterbringen möchte.
Aber da wird sich in den nächsten Tagen hoffentlich noch was ergeben!

Viele Grüße,
BigBear

[ikarus_177]

Hi,

wirklich ein gut durchdachtes und SEHR professionelles Projekt!

Eine Frage hätte ich aber: auf den Fotos vom Prototyp sieht es (zumindest für mich als "Nicht-Mechanikus") so aus, als ob nur das Bein ans Ganzes, nicht aber die Gelenke einzeln bewegt werden können. Kann aber gut sein, dass mich die Perspektive da täuscht

Viele Grüße
ikarus_177

[radbruch]

Hallo

Ich bin ja ungern der Miesepeter aber mein Bauchgefühl sagt mir dass das nix wird. Das Problem sehe ich auch bei der Lagerung, speziell wenn nun noch die Drehbewegung des Beines dazukommt. Dann müssen die Gelenke nicht nur das Gewicht des Bots tragen, sie müssen auch noch die Querkräfte aufnehmen. Beim wirklich hübschen Plexiglasmodell macht sich das nicht so sehr bemerkbar weil bedingt durch die Materialstärke und die sich daraus ergebende Achsenlänge die Scherkräfte noch klein sind. Bei schlanken Beinen aus 3mm-Blech sieht das vermutlich viel ungünstiger aus. Vor allem an den Beinenden sind dann die Achsen sehr kurz und dadurch die Hebelkräfte quer zur Gelenkachse am größten. Selbst wenn die Achsen dadurch nicht brechen wird die Kraft und der Verschleiß in den Gleitbuchsen im Dauerbetrieb zu hoch sein.

Ich würde das Plexiglasbein auf einen Testwagen ala Monoleg schrauben um die Funktion zu testen.

Gruß

mic

[oberallgeier]

... Problem .. bei der Lagerung... nun noch die Drehbewegung ... Querkräfte ... 3mm-Blech ...

So ungefähr sehe ich das auch. Allerdings gibt es Alu-Qualitäten (hatte ich schon im Luftfahrzeugbau benutzt) die sehr hart sind und da wären 3 mm dann doch ein guter Wert. Der Nachteil von harten Alu-Legierungen ist natürlich die mangelhafte Duktilität. Weiterer Nachteil bei dieser Anwendung ist die eher mangelhafte Gleitfähigkeit von Alu. Da müssten unbedingt die bereits angsprochenen Lager her, wobei ich bei Gleitlagern und Querkraft (auch wieder mal) die Englein singen höre. Und eine saubere Gleitlagerkonstruktion für Querkräfte in beiden Richtungen (also ein Gleitlager mit axialer Fixierung und weitgehend frei von Axialspiel) - - huiiii - - das ist eine feine Aufgabenstellung.

... studiere Maschinenbau in den letzten Semestern und ...

Das Projekt erschein mir doch ein prächtiges Thema für eine Studien- oder Diplomarbeit zum Thema "Leichtbau" zu sein. Also: Suche Dein Institut für L+R oder gleich ein "richtiges" Leichtbauinstitut - und belaber den Professor um so eine Arbeit. Vielleicht vorher einen der Assistenten fragen, wer da am leichtesten zu überreden ist.

Viel Erfolg

[BigBear]

Hi ikarus_177,

wirklich ein gut durchdachtes und SEHR professionelles Projekt!

Danke!

Eine Frage hätte ich aber: auf den Fotos vom Prototyp sieht es (zumindest für mich als "Nicht-Mechanikus") so aus, als ob nur das Bein ans Ganzes, nicht aber die Gelenke einzeln bewegt werden können. Kann aber gut sein, dass mich die Perspektive da täuscht Think

Ja, das Bein kann sich nur als ganzes Krümmen oder Strecken sowie auf und ab bewegen. Das reicht aber für, wie in den Bilder zu sehen, 2 Freiheitsgrade und mit dem noch nicht zu sehendem Hüftgelenk für 3 Freiheitsgrade.

Hi radbruch,

Ich bin ja ungern der Miesepeter aber mein Bauchgefühl sagt mir dass das nix wird.

Ja, die Sache hat schon so ihre Tücken und ist ned ganz ohne, da hast du recht. Obs nix wird, des muss ich erst noch schauen..
Und so eine halbe Sache, die dann kurz Funktioniert, die will ich auch nicht bauen.

Das Problem sehe ich auch bei der Lagerung, speziell wenn nun noch die Drehbewegung des Beines dazukommt. Dann müssen die Gelenke nicht nur das Gewicht des Bots tragen, sie müssen auch noch die Querkräfte aufnehmen.

Deswegen wird die Verstrebung, die Klingon77 vorgeschlagen hat, da auch einiges Nutzen. Inwieweit dies ausreicht und wie die Belastung wirklich ist, möchte im am Wochenende in einer Festigkeitsrechnung einamal durchrechnen.

Beim wirklich hübschen Plexiglasmodell macht sich das nicht so sehr bemerkbar weil bedingt durch die Materialstärke und die sich daraus ergebende Achsenlänge die Scherkräfte noch klein sind.

Du meinst bestimmt die Achsenlänge, die in den Bohrungen aufliegt, oder?

Bei schlanken Beinen aus 3mm-Blech sieht das vermutlich viel ungünstiger aus.

Auf jeden Fall. Obs ausreichend ist dann die andere Frage.

Vor allem an den Beinenden sind dann die Achsen sehr kurz und dadurch die Hebelkräfte quer zur Gelenkachse am größten.

Dies verstehe ich nicht ganz. An den Beinenden sind doch die Belastungen am kleinsten. Da sind die Kräfte durch die Hebel ja schon runtergebrochen auf dass Minimum.
Und auch bei den Kräften die durch das Hüftgelenk eingeleitet werden, sind die Verformungen (am Modell) an den Hintern Achsen am größten.

Ich würde das Plexiglasbein auf einen Testwagen ala Monoleg schrauben um die Funktion zu testen.

Eine sehr gute Idee!
Ich versuche des mal mit dem Lego-Zeug hinzubekommen.
Danke für den Tipp und die Anregungen!

[radbruch]

An den Beinenden sind doch die Belastungen am kleinsten.

Das ist ein verbreiteter Denkfehler, an den Beinenden tritt die größte Belastung auf weil nicht nur das Gewicht des Rumpfes sondern auch das Bein selbst getragen werden muss.

In der Natur sieht man massige Beine allerdings vorwiegend bei schwerfälligen/schwergewichtigen Tieren. Bei den schnelleren und schlankbeinigeren Spezies tricks sie indem sie elastische Materialien einsetzt die die Energie absorbieren (und zum Teil auch speichern) und so einen Überlastungsbruch verhindern. Allerdings führt auch in der Natur eine kurzzeitige oder andauernde Überbelastung zu erhöhtem Verschleiß oder Defekten (Knie- und Bandscheibenschäden, Sehnen- und Muskelfaserrisse...).

Gruß

mic

[Klingon77]

hi,

mal Dank für Deine Berechnungen (da kann ich noch folgen). Bei den Matritzen endet allerdings mein Wissen.

Ich mache da viel "aus dem Bauch heraus" wie seinerzeit der "alte Wankel" das auch mit einigem Erfolg gehalten hat


Das Kraftproblem für die Motor/Getriebe Kombi ist natürlich nicht ohne...


Du könntest:

* stärkere Einheiten nehmen (CAVE: Energieverbrauch)
* Den Robby softwaremäßig in der Beinauslenkung beschränken.
Auch hier gilt es, bezüglich der Lebensdauer, nicht an die Grenzen zu gehen.
* Oder aber "zwei Fliegen mit einer Klappe schlagen" und das Problem zumindes entschärfen indem Du ein Glied aus dem Fuß nimmst.
Dabei geht natürlich etwas von dem feingliedrigem Erscheinungsbild "flöten".


Ist mal wieder die typische "Quadratur des Kreises" welche jeder ansrebt aber niemand zu 100% erreichen kann.


Um die Hüftgelenk-Lagerung etwas steifer zu machen könntest Du auch Querverstrebungen zwischen der oberen und unteren Korpusplatte einfügen.



Prinzipiell neige ich ja zu selbsthemmenden Antriebssystemen; insbesondere bei Hexas.
Bei den üblichen, mit Servo´s aufgebauten Systemen geht ein nicht wesentlicher Energieanteil in die pure Haltekraft des Korpus.
Ein selbshemmendes Antriebskonzept könnte da einiges an Energie einsparen.


liebe Grüße,

Klingon77