Oktopod Projekt

[LeeMajors]

Hallo zusammen,

ich möchte euch mein Oktopod-Projekt vorstellen, welches momentan etwas stagniert, aber trotzdem bereits ziemlich weit gekommen ist.

Um zunächst eine Vorstellung zu geben, wo die Reise hingehen soll, ein Bildchen:
Bild hier  

Es gibt ja schon einige "nPods", aber dieser sollte einige Fähigkeiten bekommen, die es momentan noch nicht gibt. Das soll anders sein:
- Der Bot soll auch über unebenes Gelände laufen können, bestenfalls Treppen steigen können.
- Er soll größtenteils autark arbeiten. D.h. nicht mit einer Fernsteuerung, o.ä. bedient werden sollen, sondern eher "Aufträge" bekommen, wie "erkunde die Umgebung".
- Er soll in gewissen Bereichen lernfähig sein, d.h. z.B. dass er selbständig ein "Laufprogramm" optimieren kann, in dem er Parametereinstellung bewertet.
- Er bekommt einen Haufen Sensoren, damit er seine Umgebung wahrnehmen kann.

Die Idee dahinter ist, mit möglichst wenig Informationen, möglichst viel zu leisten. Anfänglich habe ich eigentlich eher spaßeshalber die ganze Spinne einer Vogelspinne nachgebildet.
Nach und nach hat sich rausgestellt, dass man viele Eigenschaften der Spinne technisch gut umsetzen kann und diese dann auch sehr effektiv sind. Quasi der "bionische-Gedanke" an der Sache.

Ein gutes Beispiel sind hier die Augen. Eine Spinne hat (meist) 8 Augen. Die können nicht viel mehr als hell- und dunkel unterscheiden, sowie grob die Richtung, aus der das Licht kommt. Trotzdem reicht das, um z.B. Bewegungen in der Umwelt zu erfassen, sowie die ungefähre Richtung dieser Bewegungen. Diese Augen hab ich mit Sharp-Entfernungssensoren umgesetzt. 2 gucken jeweils um 5° nach rechts und links, einer gerade aus und einer um 5° nach oben. Das kann man hier ganz gut sehen:

Bild hier  

Die 4 Sensoren liefern 4 Zahlen (Entfernungen) und so hat man auf einen Schlag die Info darüber, ob ein Hindernis da ist, wie weit es weg ist, und in welchem Winkel es sich befindet, wenn man erst mal von einem planen Hindernis (z.B. Wand) ausgeht.

Man kann also aus den wenigen Daten viel herausholen, ohne hohen Rechenaufwand. Im Gegensatz dazu wäre eine Kamera, oder gar 2 für 3D Overkill...

Zu Testzwecken hab ich die Sensor-Infos einmal auf einen Fühler übertragen. Der Fühler versucht die Entfernung und den Winkel der vermeintlichen Wand zu folgen:


...so, später folgen weitere Infos.

Grüße, Marcus

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Ein paar technische Daten:
Gesteuert wird der Bot mit einem Beaglebone Black - das ist einen Hieb schneller, als das oft benutzte Raspberry Pi. Auf dem Beaglebone programmiere ich den Code momentan in Python. Ich hoffe, die Performance reicht, ansonsten muss das ganze noch mal in C++ imgesetzt werden. (Was ich leider noch nicht kann.)

Das Beaglebone steuert 4 Maestroboards an. 2 mit 18 Kanälen (http://www.pololu.com/product/1354 ) und 2 mit 12 (http://www.pololu.com/product/1352 ). An den Kanälen können entweder Servos angesteuert werden, oder analoge Sensoren gelesen werden. (0-5V). Da Hochstrom-Servos benutzt werden, die direkt an einen 2S-Lipo angeschlossen werden können, nehmen 2 der Maestros für die Servos die Spannung direkt aus den Lipos, während an den anderen 2 Sensoren und normale Servos angeschlossen werden können. Um die analogen Sensoren vernünftig auslesen zu können, wird die Spannung der Lipos mit einem BEC auf eine stabile 5V Spannung gebracht.

Die Maestros können alle 4 in Reihe geschaltet werden und hängen über einen USB-Anschluss am Beaglebone. Schön ist, dass man denen Befehle geben kann: Fahre Servo Nr. x an die Position y mit Geschwindigkeit z und Beschleunigung b. Die Servos bewegen sich anschließend entsprechend und falls man nicht versucht, diese mit einer zu hohen Geschwindigkeit zu bewegen, kann man die aktuelle Position auch jederzeit auslesen. D.h. man muss im Script nicht x mal pro Sekunde die aktuelle Position an die Servos schicken.

Der Strom kommt aus 3 x 2S Lipos mit 5100mAh. Hier ein Bild von der Stromverteilung im hinteren Bereich.
Bild hier  

Das sieht etwas wild aus, aber ich wollte möglichst hohe Querschnitte nehmen, damit nirgendwo etwas durchbrät, falls mal viel Strom gebraucht wird. Nach grober Rechnung siehts so aus:
29 Hochstromservos zwischen 0.2 und 1.2A = 5.8 - 34.8A = 43 - 258 Watt
6 kleine Servos zwischen 0.003 und 0.75A = 0.018 - 4.5A = 0.1 - 22.5 Watt
Beaglebone, Mastroboards & Sensor-Boards ca. 2A = 10 Watt
Also zusammen zwischen 53 und 290 Watt. Ich schätze, man wird später ca. bei 100 Watt durchschnittlich rauskommen und mit einer Akku-Ladung ca. eine Stunde durch die Gegend gurken könne.

Über einen Strom und einen Spannungssensor kann die Spinne selbständig überprüfen, ob irgendwelche gefährlichen Zustände bestehen und Maßnahmen ergreifen, wie z.B. die Servos abschalten und Alarm schlagen. Es ist geplant, dass über WLAN auf einen Webserver auf dem Beaglebone zugegriffen werden kann, so dass solche Meldungen z.B. auch über Tablett kontrollierbar sind.

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3D Konstruktion

Da ich ursprünglich aus dem 3D-Bereich komme, kenne ich mich mit 3D-Studio Max aus. Das ist sicherlich nicht die geeignetste Wahl um einen Bot zu konstruieren, da ich aber kein AutoCad, o.ä. kann, ist das für mich die schnellste Alternative. Außerdem kann man relativ leicht damit dann auch fotorealistische Visualisierungen machen.
Die 3-D Teile exportiere ich dann ins obj-Format und lass diese bei shapeways ausdrucken. ...was dann leider immer eine gefühle Ewigkeit dauert, bis es fertig ist.


Die Beine

Die Beine haben die üblichen 3 Gelenke, wie man sie auch von anderen Hexas und Oktos kennt. Wirklich schwierig war der Bau des Fußes. Hier sollte zum einen ein Drucksensor rein, zum anderen ein Federmechanismus, der die schlimmsten Stöße abfängt. Nach zig Versuchen ist auch etwas brauchbares herausgekommen.

Bild hier  

Oben sind alle Teile eines Beines abgebildet. Das etwas gelbliche Teil ist quasi die "Hornhaut" und besteht aus einem Gummi-artigen Material. Darüber wird das Teil rechts daneben geklippst. Auf den Pin in der Mitte kommt noch ein kleines 2mm Gummi-Scheibchen. Das drückt dann später auf den Drucksensor. Im folgenden Bild sieht man, wo die 2 Teile reinkommen und in der Mitte den verbauten Drucksensor.

Bild hier  

"Hornhaut" und Halter haben ganz leichten Druck, der direkt auf den Drucksensor wirkt und es gibt ca. 1mm Spiel, den sich das Gummi zusammendrücken könnte. Der leichte Druck am Anfang ist wichtig, damit der ganze Kram nicht klappert und nicht-lineare Ergebnisse am Drucksensor erzeugt werden. Mit der Konstruktion hier, kann der Druck in Gramm mit einem Fehler von ca. 5-10% berechnet werden. D.h. wenn die Spinne auf ihren 8 Beinen steht, kann man bereits durch die Drucksensoren auf die Lage der Spinne schließen - ob sie z.B. schräg steht.

Dieser untere Teil des Fußes wird an einer langen Achse geführt und wird mit 4 Kugelschreiberminen gefedert. Ja nachdem wie viel Federkraft und wie hart die Federung sein soll, kann man Federn weglassen, oder kürzen.
Bild hier  

Ansonsten hab ich die Beine ursprünglich mit den hitec HSR-5498SG Servos geplant. Das sind Robot-Servos und die haben z.B. den Vorteil, dass das Kabel an der Seite rauskommt, dass auf der anderen Seite der Servoscheibe eine 2. Drehscheibe ist und dass man verschiedene Gehäuseteile anschrauben kann, die viel günstiger zu verbauen sind, als die 2 Standard-Laschen der normalen Servos.
Hier ist ein entsprechendes 3D-Bildchen:
Bild hier  

Außerdem sieht man hier auch die bis zu 3 Gummis, die eine entsprechende Vorspannung bewirken und die Spinne zunächst einmal alleine tragen sollten. Das Servo sollte im Idealfall nur bei anderen, als dem Standardwinkel Kraft ausüben müssen. Übrigens rechne ich mit einem Gewicht von ca. 5.5kg.

...so später geht's weiter. Über Kommentare würde ich mich freuen!

[Geistesblitz]

Respekt, das sieht bisher schon ziemlich beeindruckend aus
Scheint ja auch schon einiges an Geld und Mühe reingeflossen zu sein.

Zu den Gummis hab ich nochmal eine Frage: bringen die wirklich so viel? Eigentlich dürften die sich mehr spannen, wenn sich das Bein anhebt, allerdings ist das auch die Situation, wo das Bein nicht mehr vom Eigengewicht des Roboters belastet wird. Das heißt, der Servo müsste dann voll gegen die Kraft der Gummibänder arbeiten. Wenn die sich sowieso nciht so oft anheben, mag es gehen, aber wenn mal ein Bein in der Luft hängen bleiben sollte, wäre das sicherlich ungünstig.

[Andree-HB]

...seeeehr cooles Projekt - alle meine Daumen steil nach oben !!!

[LeeMajors]

Mit den Gummis kann man sich das so vorstellen: Wenn man die Spinne mit "entspannten Servos" hinstellt, sinkt die bis zu einem bestimmten Punkt runter, bis die Spannung auf den Gummis so hoch ist, dass sie halten. Das ist quasi die 0-Position, die man mit mehr oder weniger Gummis erreichen kann. Die Servos müssen in dieser Position keine Kraft ausüben. In jeder anderen Position schon - wenn sich das Bein hebt, müssen sie gegen die Gummis arbeiten. Wenn sie sich senken, müssen sie sukzessiuve immer mehr Gewicht der Spinne tragen.

Wie die genaue Energiebilanz aussieht kann man natürlich erst sehen, wenn die Spinne läuft und ihren Strom misst. Vielleicht arbeitet man dann auch nur mit 2 Gummis, o.ä. Oder aber, die Spinne läuft auf einem höheren Niveau, als in der oben beschriebenen 0-Stellung.

Bis jetzt hab ich nur ein Bein, da kann ich daher noch nicht so viel zu sagen.
Bild hier  

[HannoHupmann]

Was haben die ganzen Teile bisher bei shapeways gekostet? Bin am überlegen ob ich nicht für meinen Wall-E auf drucken umsteige statt auf Fräsen und Feilen.

[LeeMajors]

Der Kram ist natürlich nicht ganz billig...

8	Leg		174,53 €	1.396,24 €
1	Abdomen Part I, II, III, IV, V		258,05 €	258,05 €
1	Base Skeleton		235,36 €	235,36 €
1	Feeler		48,92 €	48,92 €
1	Accessory Legs		12,04 €	12,04 €
1	Leg Tester		15,55 €	15,55 €
1	Mounts		38,38 €	38,38 €
1	Camera Mount		6,73 €	6,73 €
1	Battery Tank		37,67 €	37,67 €
1	Prosoma		107,26 €	107,26 €
1	Slide & Slide Mount		88,08 €	88,08 €
1	Jaw		120,00 €	120,00 €
				2.244,28 €

Wobei die Beine, wie man sieht, am teuersten sind und daher vorher gründlich getestet werden müssen.
Die Kosten der kompletten Spinne liegen übrigens bei EUR 5.000,- - Hauptkosten sind die 3D-Teile & die Servos.

Da man bei den 3D-Teilen aber immer mal wieder korrigieren muss, muss man auch da entsprechend mehr investieren...

Es gibt 2 Vorteile beim 3D-Drucken: Es ist vermutlich stressfreier auch komplexeste Formen hinzubekommen, aber vor allem ist alles reproduzierbar.

Wenn die Spinne irgendwann mal fertig ist, sollte das komplette Teil in einer Woche Arbeitsaufwand reproduzierbar sein.

[HannoHupmann]

Danke für die detaillierte Aufschlüsselung, das zeigt mal wieder, dass ein Hexa-Bot kein günstiger Roboter ist. Natürlich muss man nicht so komplex bauen wie bei dir, aber bei der größer wird man immer in den vierstelligen Bereich kommen.

[Andree-HB]

...jetzt kann man auch erstmal erahnen, was für eine Größe das Teil haben wird - da bekommt man ja Angst !

Ich kann mir aber fast gar nicht vorstellen, dass man mit 5 Amperestunden und bei 5,5Kg Gewicht solange (wie errechnet) "arbeiten" kann. Ich lasse mich da aber sehr gerne überraschen.

[LeeMajors]

Eigentlich wollte ich ja auch nur ne Hardware mit genügend Sensoren haben, um die programmieren zu können. Die ersten Ideen sahen ziemlich lustig aus...
Bild hier  

Die Beine mit normalen Servos auf diese Art anzusprechen war natürlich Kappes. Dann hab ich die hitec Robot-Servos gefunden. Eigentlich die einzigen brauchbaren Servos dieser Art. Das große Problem ist nun, das hitec seine komplette Robot-Servo-Reihe eingestellt hat und die Servos nur noch hier und da zufällig zu bekommen sind. Da der Robot aber auch reproduzierbar sein sollte, fiel hitec an dieser Stelle flach. Sämtliche 3D-Teile, die Servos berühren waren damit für die Tonne, also eigentlich 80% der Spinne...
Mein derzeitiger Plan ist, diese Servos von robbe einzusetzen: http://www.robbe.de/servo-s3071mg-hv-s-bus.html
10kg-Digital Servos, die mit vielen Parametern zu programmieren sind. Sehr schön ist z.B. das man ein geglättetes Laufverhalten einstellen kann.
Damit ich die Servos so verbauen kann, wie ursprünglich geplant, müssen die zu Robot-Servos umgebaut werden. D.h. Ober- und Unterteil des Servogehäuses werden durch neukonstruierte 3D-Teile ersetzt. Momentan warte ich noch auf eine Alu-Servoscheibe, damit ich alle Maße habe. Danach geht es weiter...

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@Andree: Das sind ja auch 3 x 5 Amperestunden

[HannoHupmann]

Bei dem Preis hätte man sich fast überlegen können ob man nicht gleich einen eigenen 3D Drucker kauft und die Teile selber macht. :-D

EDIT:
Die Idee mit den Federn hatte ich auch mal (bzw. mit den Gummibändern) allerdings habe ich schnell gemerkt, dass gerade bei dynamischen Bewegungen die Feder (ohne Dämpfung) aufschwingt und damit die Steuerung verfälscht. Gerade am Anfang ist das eher hinderlich, daher werden die Federelemente bei mir erst später wieder eingebaut bis dahin wird es ohne Federn gehen müssen.

Was für Servos verwendest du? Bei der optischen Beinlänge (vermutlich mehr als 10cm) dürfte es spannend werden. Die klassische Rechnung wieder ausgegraben:
Roobe Servos S3071 = 100Ncm also: 10kg auf 1cm --> 10cm gerade mal 0,8kg Hubkraft (Sicherheit: 1,20, was sehr mau ist). Ergo darf der Roboter nicht mehr als 3,2kg (4x0,8kg) wiegen. Allerdings gibst du 5,5kg an! Sollte also ordentlich knirschen im Getriebe.

Gegenrechnung: 5,5kg / 0,8 = 6,8 also immer 7 Beine auf dem Boden dann geht es sich gerade so aus.
Gegenrechnung 2: 5,5kg / 4 Beine am Boden = 1,375; --> *1,30 = 1,7875kg; --> 10cm Hebelarm * 17,875N = 178,75Ncm

Bei meinem Vinculum komm ich auf ein Gewicht von 2,7kg (ich rechne mit 3kg). Hebelarm 16cm und 4 Beine am Boden macht: 120Ncm
Meine Servos können 142Ncm, damit komm ich auf 1,18 was auch nicht besonders viel ist. Test mit 6 Beinen auf dem Boden und zusätzlicher Belastung:
http://www.youtube.com/watch?v=bLdZ-2aH05w
Die Bücher stellen ein Zusatzgewicht von 2,4kg da, mehr wollte ich nicht riskieren (=144Ncm pro Schulterservo).

Je größer Krabbler werden, desto mehr Leistung in den Schultergelenken werden benötigt.