Mechanik in einem Kugel-Roboter

[Sphero23]

Ich lese zwar schon eine Weile im Roboternetz mit, hab mich aber jetzt erst angemeldet, von daher erstmal HALLO \/

Ich plane einen "sphärischen Roboter" oder "Kugel Roboter" zu bauen. Habe erstmal nur grundsätzliche Fragen zu Mechanik und Konstruktion...hoffe das ist in diesem Unterforum damit am besten aufgehoben.

Das Grundprinzip ist folgendes:
Kugel (Außendurchmesser 50cm) bewegt sich vorwärts durch Gewichtsverlagerung eines Pendels. Die Elektromotoren arbeiten also gegen das Drehmoment das durch die Gewichtskraft des Pendels erzeugt wird.
Gelenkt wird indem das Pendel zur Seite augesteuert wird. In meinem Fall durch die Servos. Ich hoffe das Prinzip ist halbwegs klar. Wenn nicht, sowas in etwa wirds:
http://www.youtube.com/watch?v=Be2dY...eature=related

Der erste Schritt ist natürlich die Kräfte vernünftig auszurechnen...allerdings brauch ich dafür erstmal ne fixe Konstruktion, damit ich Längen und Gewichte genau weiß.

Meine CAD Dateien hab ich angehängt, evtl. habt ihr nützliche Tipps für mich! Bin wie gesagt noch in der frühen Planungsphase und fang erst demnächst an vernünftig zu rechnen....von daher bin ich für alle Pi x Daumen Tipps dankbar!

Ich gehe bisher davon aus das das gesamt Innenleben so ca. 2kg wiegen wird...aber ist sehr grob geschätzt.

Meine Fragen:

1. Wie ihr seht war in der ersten Version das ganze Innenleben an den Motorwellen aufgehängt. Ich weiß das ist nicht gut, was wäre euer Ratschlag dazu. Ist Version 2 mit den 2 Lagern auf jeder Seite ok?? Die Welle durchgängig zu gestalten und die Kraft über Zahnräder einleiten würde ich eher ungern machen....erscheint mir zu anfällig...

2. Gleiches gilt für die Aufhängung des Pendels an die Servos. Könnte ich das Pendel direkt an die Servos hängen, oder braucht es eine Konstruktion wie in Version 2??
(Kleine Zusatzfrage: Wie würdet ihr am besten die Verbindung gestalten? Servohorn selber bauen und an das Pendel schrauben?)

Als nächstes muss ich dann mal Motoren und Servos aussuchen, hab da auch schon eine Idee....aber das kommt erst wenn die grundsätzliche Konstruktion steht!!

Wenn jemand Lust hat mein bisheriges Schaffen zu kommentieren ist das gerne willkommen =D>

Grüße!

[Manf]

Ja hallo, willkommen.
Das System berührt nur mit einem Punkt den Boden und ist damit nicht sehr Richtungsstabil.
Wird bei einem Ausschlag des Pendels eine gekrümmte Bahn gefahren?
Das sollte dann wohl speziell bei nicht ganz ebenem Boden überprüft und geregelt werden.
Beschreibe mal was die Mechanik an Bewegungen bewirken soll.

[Sphero23]

Hallo und danke das Du mal drüber geschaut hast!

Das mit dem Pendel ist genau wie Du vermutest. Wenn es zur Seite ausgelenkt wird neigt sich die Kugel und fährt eine Kurve (müsste mit der Präzision zu tun haben).
Ich weiß das sowas relativ schwer zu steuern ist, deshalb kommt auch ein microController und Gyrosensoren an Bord. Aber wie gesagt, dazu später.

Vorwärts bewegen tut sich die Kugel indem die Motoren das Pendel nach vorne heben und die Kugel nachrollt.

Die ganzen Schienen wollte ich aus Aluprofilen machen. Die gelben "Einsätze" sind Kugellager mit Flansch, die Wellen sind alle 6mm stark.

Ich hoffe das bietet erstmal Raum für weitere Analysen

[Manf]

Eine spontane Überlegung dazu ist, dass man auch bei einer relativ stabilen Kugel nicht das ganze Gewicht des unten hängenden Blocks über die Gelenke aufhängen muss.
Ein solches System würde im Prinzip auch mit einem kleinen Fahrzeug am Boden der Kugel arbeiten, ein Omniwheel-Fahrzeug wäre dabei besonders flexibel.

Wenn man die Konstruktion der mechanischen Steuerung wie dargestellt entsprechend der Zeichungen mit dem Pendel ausführen möchte dann könnte man trotzdem gleichzeitig eine passive Omniwheel Abstützung am Boden vornehmen und dadurch nicht nur die Gelenke sondern auch die Kugel durch einen kurzen Kraftschluss zum Boden entlasten.

Über die Gelenke wären dann nur noch die Antriebsmomente zu übertragen das Gewicht würde entsprechend der Auslenkung relativ kurz über die Kugel zum Boden abgestützt.

[PICture]

Hallo!

Ein solches System würde im Prinzip auch mit einem kleinen Fahrzeug am Boden der Kugel arbeiten, ...

Genauso wollte ich es realisieren, aber wegen Probleme habe ich es verworfen, weil es ein BEAM-er in dürchsichtiger Kugel seien sollte und er zu leicht war, um die Kugel auf unglatter Fläche zu bewegen.

MfG

[ranke]

Bei Deinem Entwurf sehe ich noch nicht die Option für einen Kurvenlauf. Die beiden Motoren sitzen auf der selben Welle, wenn sie mit unterschiedlicher Drehzahl betrieben werden, führt das allenfalls zu einer Verwindung des inneren Kreisrings (das wäre dann etwa das, was der Fahradfahrer einen "Achter" nennt).
Auf dieser Welle genügt also ein Motor, der zweite müsste an der Verbindungsstelle der beiden Kreisringe (der äußere ist schon ein Ausschnitt aus der Kugelfläche oder fest mit dieser verbunden) sitzen. Dieser Antrieb sollte dann recht flach sein damit er nicht mit dem Pendel kollidiert, wenn er zufällig unten ist.
Zum Detail der Lagerung: Wenn Du es machst, wie in Version2_Motor.jpg gezeichnet, dann müsste die Kupplung eine gewisse Toleranz gegenüber Fluchtungs- und Verkantungsfehler der Welle haben. Das kann man z.B. mit einem elastischen Schlauch erreichen. Wenn die Kupplung starr ist, kann mas z.B. den Motor elastisch aufhängen, statt ihn mit einem Befestigungswinkel anzuschrauben. Alternativ kann man (bei starrer Kupplung, die auch Biegekräfte übertragen kann) ein Lager einsparen. Das macht die Sache aber instabiler, wenn man mal den Motor demontiert.

[Hessibaby]

Du hast das Pendel in die falsche Richtung aufgehängt. Die Motoren treiben den inneren Ring, und zum "Lenken" willst Du das Pendel nutzen. Nette Idee !
Ich musste mir die Zeichnungen mehrmals ansehen um zu verstehen was Du vor hast. Als Pendelgewicht kannst Du ja den Akku nehmen. Wenn Du drei Motoren nehmen würdest ( in 120° Anordnung ) könntest Du den Vortrieb über Omniwheels realisieren.

[Sphero23]

Ahhh....eine Sache vorweg, hatte ich ganz vergessen zu schreiben. Die beiden "Ringe" sollen in der Realität natürlich eine durchgängige Hohlkugel darstellen....hatte ich auch so geschrieben, aber die Bilder verwirren, sorry.

@Ranke: Das mit dem Lenken hatte ich mir anders vorgestellt. Die Motoren sollen nie mit unterschiedlicher Drehzahl laufen. Gelenkt wird durch das Pendel an den Servos.
Was Du zur Welle schreibt ist sehr interessant. Das mit der elastischen Kupplung ist einleuchtend, hatte ich nicht dran gedacht. (Hast Du einen Tipp für ein Bauteil? oder einfach einen Schrumpfschlauch nehmen? Rutscht der nicht durch oder verdreht sich einfach)
Meinst Du mir einer starren Kupplung und einem Lager würde das klappen? Ich wollte halt möglichst viel Last von der Motorwelle nehmen. Ansich wäre mir diese Lösung ja am liebsten. Wie viel Last kann man denn an so eine Motorwelle hängen? Durch das Gewicht und den Hebelweg zwischen Kupplung und Lager entsteht ja ein Moment...

@Manf: Ja, ein Omniwheel zur Unterstützung wäre nicht schlecht... Eigentlich würde ja auch eine eingefasste Kugel (wie beim Deo-Roller) gehen...Zum Ausgleich von kleinen Unebenheiten kann mann ja auch einen einfachen Stoßdämpfer integrieren. Werd ich mal drüber nachdenken...

@Hessibaby: Das Prinzip mit den 3 Motoren und 3 Omniwheels kenne ich (nennt sich auf Englisch IDU - internal drive unit). Das funktioniert auf jeden Fall, allerdings wollte ich es so nicht realisieren. Die Steuerung funktioniert dann vollkommen anders und ich will mir die lustigen Bahnberechnungen für mein Modell gerne antun
ABER...was meinst Du mit Pendel verkehrt herum? Kannst Du das bitte näher erklären. Versteh nicht ganz was Du meinst.

Ansonsten hab ich mir heute mal eine 50cm Styroporkugel angeschaut und bin halbwegs erschrocken wie groß das doch ist

Wenn ich die wie ich vorhatte verstärke und mit Glasfasermatten laminiere wird das schon bissl was wiegen. Das bedeutet mein Gewicht muss auch entsprechend sein damit das Ding rennt und das bedeutet wiederum ordentliche Motoren....hmm...

Lasst auf jeden Fall die Ideen weiter kommen. Alles was ihr schreibt hilft mir!!!

Vielen Dank!

[ranke]

Ich hatte Deine Kinematik tatsächlich noch nicht verstanden. Jetzt, wo ich glaube sie verstanden zu haben, glaube ich aber immer noch, dass sie nicht funktionieren wird (zumindest bei einem kugelrunden Ball).
Ich denke, der Ball wird sich immer senkrecht zur Achse zwischen den beiden Motoren bewegen, egal wie das Pendel steht. Durch Verändern der Pendelstellung wirst Du diese Achse aber nicht um die Hochachse verdrehen können, das wäre aber die Voraussetzung für die Richtungsänderung.
Was Du machen könntest wäre das Pendelgewicht so zu teilen, dass es an den beiden Motoren vorbei passt, so dass sich eine vollständige Rotation des Gewichts in zwei zueinander senkrechten Achsen möglich ist (oder der Vorschlag, den ich weiter oben schon gemacht habe).

Zur Kupplung per elasitschem Schlauch ist hier im Forum schon mal ein Beitrag gewesen, ich glaube Manf hatte dazu eine Diskussion angeregt. Probier mal die Suche.

Starre Kupplung und ein Lager: sollte klappen, die Kupplung muss aber wirklich zuverlässig auch den Biegekräften standhalten. Wenn das zusätzliche Lager sehr nahe an die Sphäre rückt (und der Motor etwas weiter weg), dann werden die Lagerkräfte am Motor ziemlich gering.

Sonst: Symmetrie ist ja eine schöne Sache (und im Zeichenprogramm dupliziert es sich so schön), bei der praktischen Ausführung empfehle ich nur einen Antrieb pro Achse zu verwenden. Nicht nur aus ökonomischen Gründen, speziell die parallel geschalteten Servos machen Ärger, weil sie nie hundertprozentig gleich positionieren werden.

[Sphero23]

Hmm....ich verstehe was Du mit dem Pendel meinst.
Ich denke das es so wie ich es hab funktionieren würde, die Servos erzeugen ja Drehmoment quer zur Rotationsachse, und das müsste das ganze kippen.
Allerdings könnte man wahrscheinlich die Kraft DEUTLICH besser dosieren wenn man es so macht wie Du vorschlägst....oh mann, da tun sich noch so viele Frage auf.

Von dem 2 Motoren/2 Servos Konzept bin ich denke ich weg. Das ist ein unnötiger Aufwand die jeweils zu synchronisieren...
Denke eine durchgehende Welle und die Kraft über eine Zahnradpaarung einleiten ist wohl das Beste für den Antrieb...was den Servo angeht muss ich nochmal über das grundsätzliche Prinzip der Lenkung nachdenken.

Ansonsten hab ich mal ein bissel gerechnet, zu Geschwindigkeit und Beschleunigung von dem Ding (Luftwiderstand und Rollreibung sind vernachlässigt, hoffe der Rest kommt ungefähr hin)

Umfang 50cm Kugel = 1,57 m
Trägheitsmoment bei 2 kg = 0,33 kgm²
Geschwindigkeit bei 174 U/min = 4,6 m/s oder 16,4 km/h
Winkelbeschleunigung bei 60 Ncm = 1,8 rad/s²
macht eine Beschleunigung von 0,45 m/s²

Wie gesagt...ich HOFFE das haut hin. Wenn jemand einen Fehler findet bitte bescheid sagen.

Drehzahl und Drehmoment habe ich vom RB35 Motor (1:30) genommen um mal irgendwelche Werte zu kriegen.
Allerdings hab ich wenig Erfahrung mit sowas...sind das die richtigen Werte?
Da steht Last-Drehzahl 174 U/min (Aber bei welcher Last??)
Die 60 Ncm sind Spitzen-Drehmoment, kann ich das überhaupt annehmen? Wäre super wenn jemand Licht ins Dunkel dieser Werte bringen könnte...

Nachtrag: Vor allem die Beschleunigung ist ja nicht so doll, würde hier schon gern auf einen Wert >2m/s² kommen. Den Motor hatte ich auch nur als Beispiel rausgesucht, wenn ich alles berechnen kann, such ich einen entsprechenden...