Roboterbau

[Puma321]

Hallo,

ich bin bisher ein stiller Mitleser gewesen und bin von euren Projekten echt begeistert!!!

Zu mir noch ein bisschen was:
Ich bin eigentlich noch ein Anfänger in Sachen Mikrokontroller.
Ich hab aber auch schon ein paar Projekte mit dem Arduino hinter mir!
Wie z.B. Gewicht messen, Temperatur auslesen, Luftfeuchte messen, GPS-Position ermitteln, über ein GSM-Schild eine Verbindung zu meinem PC herstellen und dann Daten austauschen, Schieberegister für Leds verwenden.

Auserdem hab ich noch ein Handrad für unsere CNC-Portalfräsmaschine (Steuerung: EdingCNC) entwickelt und über ein USB-Kabel mit dem Laptop verbunden. Auf dem Laptop ist dann eine Windows Forms Anwendung von mir geschrieben gelaufen und hat dann die Software EdingCNC über Tastenkombinationen ferngesteuert
Auserdem hab ich jetzt gerade noch einen Schrittmotor angesteuert.


Warum ich das jetzt alles so ausführlich aufschreibe hat einen Grund!
Und zwar würdet ihr mir das zutrauen einen Armroboter mit 6 Gelenken zu bauen und anzusteuern so wie hier: https://www.roboternetz.de/community...uka-Roboterarm?
Was ich vielleicht noch sagen muss ist, dass ich Hauptschüler war. Das heißt ich tu mich mit Berechnungen ein bisschen schwer! (Aber Google weis ja zum Glück alles )

Wie ich schon oben beschrieben habe möchte ich mir einen Armroboter mit 6 Gelenken bauen der mir dann später Kassetten in einen Kassettenrecorder steckt und diese dann digitalisiert.

Die Größe sollte ungefähr so sein, dass wenn er ganz ausgestreckt ist eine Länge von ca. 50cm hat.
Das Gewicht das er heben soll sind 500 Gramm.
Somit wirkt hinten eine Kraft von ca. 2,45 N/m. Richtig?
Die Rechnung:
500g = ca. 4,9 Newton
4,9N x 0,5m = 4,9N/m

Wie ist das mit dem Mikroschrittbetrieb?
Ich hab da schon einiges darüber gelesen aber über die Genauigkeit von der Ansteuerung hab ich nichts gefunden!
Schaft man es auf eine Länge von 50cm eine Positionsgenauigkeit von ca. 0,1mm, wenn man einen Schrittmotor mit 200 Schritten (1,8° pro Schritt) nimmt oder muss man da eine Untersetzung einbauen?
Brauch ich da spezielle Schrittmotoren?
Es gibt ja bei Reichelt Schrittmotoren die für den Mikroschrittbetrieb optimiert sind. Soll ich dann solche nehmen oder gehen da auch ganz normale Bipolare Schrittmotoren?

Ich hoffe das waren nicht zu viele Fragen auf einmal.

Gruß
Puma321

[cavy]

Hallo Puma,


ein spannendes Projekt hast du dir da ausgesucht.


Ich denke, deine Erfahungen sind ausreichend um einen Roboterarm zu bauen. Das Problem liegt vermutlich eher im relativ komplexen und präzisen Bewegungsablauf, den so ein Kassettenwechsel voraussetzt.


Zur Präzision hast du dir ja schon einige Gedanken gemacht. Die Weglänge für einen ganzen Schritt beträgt 50cm * tan(1.8°) = 1.57cm. Die 0.1 mm wirst du allerdings auch mit Mikroschrittbetrieb oder einer Übersetzung nicht erreichen, da der Arm über 50 cm nie die nötige Steifigkeit besitzt. Nicht umsonst sind Portalfräsen so massiv aufgebaut.


Trotzdem empfehle ich dir am Projekt dran zu bleiben, weil es sehr lehrreich ist.


Wenn aber lediglich der Kassettenwechsel im Fokus steht, würde ich eher eine Konstruktion vorziehen, wie sie in diesem Video gezeigt wird: https://www.youtube.com/watch?v=IpIFPm5fswY


Grüsse
Thomas

[ranke]

Die Größe sollte ungefähr so sein, dass wenn er ganz ausgestreckt ist eine Länge von ca. 50cm hat.
Das Gewicht das er heben soll sind 500 Gramm.
Somit wirkt hinten eine Kraft von ca. 2,45 N/m. Richtig?
Die Rechnung:
500g = ca. 4,9 Newton
4,9N x 0,5m = 4,9N/m

Was Du rechnest ist nicht eine Kraft sondern ein Drehmoment. Es hat die Einheit Nm, nicht N/m.
Was Du vergisst ist das Eigengewicht des Arms, wenn er 6 Freiheitsgrade haben soll also noch die Gewichtskraft von 5 weiteren Servos und was eben sonst noch dazwischen ist. Am besten, Du skizzierst Dir mal die einzelnen Komponenten, schätzt das Eigengewicht ab und rechnest nochmal unter Berücksichtigung der Eigengewichte und Schwerpunkte der einzelnen Komponenten. Man kann dann gleich noch die Momente der anderen 5 Gelenke rechnen und feststellen, ob da eventuell noch nachgebessert werden muss. So kommt man dann langsam in Richtung eines Gesamtkonzepts und kann die Grenzen des sinnvoll Machbaren abschätzen.

[i_make_it]

Hallo,

Die Schulbildung ist nicht das Problem.
Wenn der Wille da ist und man sich mit der Materie auseinandersetzt, kann man sich da einarbeiten.
Als ich mit Robotern angefangen habe, hatte ich auch nur Hauptschule.
Realschule habe ich erst später nachgeholt.

Wie ja schon erklärt wurde, ergibt deine Rechnung zu kleine Werte, da noch einiges fehlt.

Bei der Größenordnung (500mm Armlänge) rate ich zu den 12VDC Motoren mit Quadraturencodern von Pololu.
Mein Scorbot ER5+ hat etwa einen halben Meter und hat Motoren in dieser Größenordnung drin.

Ich empfehle Dir, hol dir 2 von dne Motoren mit die von der Untersetzung etwa für die ersten beiden Achsen passen (Von der Basis aus).
Dann hol dir passende H-Brücken und fang mal mit einem Motor an eine Regelung aufzubauen (PID-Regler).
http://www.maelabs.ucsd.edu/mae156al...ol-Ardunio.pdf
Es gibt da einige Tutorials, bei denen die Regelung auch noch gut verbessert wird.
Wenn das Klappt und Du den Motor vom Stillstand über mehrere Drehzahlen wieder bis zum Stillstand regeln kannst und auch die Drehrichtung umkehren kannst.
Nimm den zweiten Motor hinzu und bau dir einen 2-Achs Plotter.
Wenn Du da eine Bahnregelung hinbekommst (Kreise, geometrien die nicht achsparallel sind) dann bist Du da schon recht weit.

Unabhängig davon kannst Du als zweites Teilprojekt den Greifer für die Kassetten konstruieren.
Mit den gekauften Motoren, hast Du ja schon mal Gewichts und Maßverkörperungen und kannst über den Greifer das Handgelenk und den Unterarm konstruieren.
Damit erhällst Du die jeweiligen Massen und kannst dann immer weiter zur Basis konstruieren, weil die Massen, Kräfte und Drehmomente bekannt sind.
Die mechanische Konstruktion wird höchstwahrscheinlich der einfachste Teil sein.
Inverse Kinematik um die Bahnberechnug und die Fahrprofile für die einzelnen Achsen zu berechnen wird dann das kniffelige.
Deshalb mein Vorschlag von oben sich mit dem Thema schon von Anfang an zu befassen.
So hat man die Möglichkeit wenn es da hängt, sich mit der Konstruktion zu befassen und wenn der Kopf wieder frei ist weiter zu machen ohne das das Projekt in der Zeit steht.

[Puma321]

Hallo,

Danke für die schnellen Antworten!

Zur Präzision hast du dir ja schon einige Gedanken gemacht. Die Weglänge für einen ganzen Schritt beträgt 50cm * tan(1.8°) = 1.57cm. Die 0.1 mm wirst du allerdings auch mit Mikroschrittbetrieb oder einer Übersetzung nicht erreichen, da der Arm über 50 cm nie die nötige Steifigkeit besitzt. Nicht umsonst sind Portalfräsen so massiv aufgebaut.

Ja das stimmt!
Ich hab mich da vielleicht ein bisschen falsch ausgedrückt. Ich brauch die Genauigkeit ja nicht auf einer Länge von 50cm sondern ich kann ja den Kassettenspieler auch sehr nah an den Roboter stellen. Somit hab ich dann, wenn der Roboterfuß eine Grundfläche von ca. 8cm im Radius hat, eine Länge bis zum Kassettenspieler von ca. 15-20 cm. Somit hab ich dann eine Genauigkeit von 0,87mm (bei 20cm Länge + Radius der Grundfläche von 8cm) pro Schritt.
Im Mikroschrittbetrieb währe es doch dann noch viel genauer oder nicht?
Wie genau wird das denn eigentlich im Mikroschrittbetrieb ungefähr? Hat da noch keiner eine Erfahrung damit gemacht?
Ich hab mal eben geschaut wie viel Luft die Kassette im Kassettenrecorder hat und das sind insgesamt 1mm (also 0,5mm auf jeder Seite).
An die Steifigkeit von der ganzen Konstruktion hab ich noch gar nicht gedacht! Aber meint ihr es währe möglich die Komponenten mit Hilfe von Kegellagern zu verspannen?
So zum Beispiel:


Damit währe es doch dann Spielfrei oder nicht?

Was Du rechnest ist nicht eine Kraft sondern ein Drehmoment. Es hat die Einheit Nm, nicht N/m.
Was Du vergisst ist das Eigengewicht des Arms, wenn er 6 Freiheitsgrade haben soll also noch die Gewichtskraft von 5 weiteren Servos und was eben sonst noch dazwischen ist. Am besten, Du skizzierst Dir mal die einzelnen Komponenten, schätzt das Eigengewicht ab und rechnest nochmal unter Berücksichtigung der Eigengewichte und Schwerpunkte der einzelnen Komponenten. Man kann dann gleich noch die Momente der anderen 5 Gelenke rechnen und feststellen, ob da eventuell noch nachgebessert werden muss. So kommt man dann langsam in Richtung eines Gesamtkonzepts und kann die Grenzen des sinnvoll Machbaren abschätzen.

Mit dem Eigengewicht hast du Recht aber ich hab auch schon gelesen das man das Gewicht des Roboters mit Gummi so kompensieren kann dass auf den Motoren im Ruhezustand (also ohne zusätzliches Gewicht) nahezu keine Last liegt?!? Stimmt das?
Aber ganz vorne stell ich mir das ein bisschen schwierig vor da es dort sehr eng wird!

Die Skizze reich ich dann noch nach. Kann aber noch ein bisschen dauern (Morgen oder so)!

- - - Aktualisiert - - -

Danke für den Tipp i_make_it!

So werde ich es machen!
Wie viel kg hebt dein Roboter und wie viel Nm hat dein Motor?

Hast du den Roboter den du gebaut hast Scorbot ER5+ irgendwo vorgestellt damit ich den Beitrag mal durchlesen kann?

[i_make_it]

Der Scorbot ER5+ wurde von der israelischen Firma Eshed Robotec entwickelt und hergestellt. (die gibt es heute nicht mehr)
http://digital-circuitry.com/PDF%20I...l/ER_Vplus.pdf
5-Achs Vertikal Knickarm.
610mm Radius bis TCP
Handlinggewicht 1kg
Wiederholgenauigkeit am TCP 0,5mm
Steht aber auch alles in dem PDF.

Der wurde als Schulungsroboter und zur Laborautomatisierung angeboten.
Aus dem Handbuch kann man sich auch ein paar Ideen für Leichtbau ziehen.
Der ist aus Blechbiegeteilen Rundstäben mit Einstichen für Wellensicherungsringen und Stirngewindebohrungen und Radialrillenkugellager in aufs Blech geschraubten Lagergehäusen aufgebaut.
So ahnlich: https://www.youtube.com/watch?v=tkDbmWAyHYw

Eine andere Möglichkeit wäre:
https://www.youtube.com/watch?v=cod_SNq-d6c

[ranke]

Im Mikroschrittbetrieb währe es doch dann noch viel genauer oder nicht?

Mehr als 1/10 Schritt kann man nicht erwarten, das auch nur, wenn man den Strom nach Positionierung nicht absenkt.

An die Steifigkeit von der ganzen Konstruktion hab ich noch gar nicht gedacht! Aber meint ihr es währe möglich die Komponenten mit Hilfe von Kegellagern zu verspannen?

Das Anstellen von Kegelrollenlagern ist eine Möglichkeit das Lagerspiel zu verringern. Allerdings ist auch das Lagerspiel zweier Rillenkugellager im allgemeinen schon recht gering. Problematischer ist die Verbiegung von Bauteilen unter Last, was eine Kombination von hoher Biegesteifigkeit bei gleichzeitigem Leichtbau erfordert, also der klassische Zielkonflikt.

Mit dem Eigengewicht hast du Recht aber ich hab auch schon gelesen das man das Gewicht des Roboters mit Gummi so kompensieren kann dass auf den Motoren im Ruhezustand (also ohne zusätzliches Gewicht) nahezu keine Last liegt

Das funktioniert nur eingeschränkt (man kann auch über andere Federn oder Gegengewichte nachdenken). Man kann zwar den Antrieb in einer Extremstellung entlasten aber in anderen Stellungen muss man dann eben gegen die Feder arbeiten, oder der Antrieb wird im Gleichgewicht zwischen Gewichts- und Federkraft momentenfrei, was unangenehm ist, weil dann die Positionierung besonders ungenau wird.

Die Skizze reich ich dann noch nach. Kann aber noch ein bisschen dauern (Morgen oder so)!

Eilt mir nicht, die Skizze ist für Dich, nicht für mich. Am besten Du machst das im Maßstab 1:1 mit Bleistift auf Transparentpapier. Du wirst häufiger radieren müssen. Fang am Greifer an und arbeite Dich bis zum Standfuß vor und mache bei jedem Gelenk eine Abschätzung der nötigen Stellkräfte / Momente so dass Du einigermaßen dimensionieren kannst.

[Puma321]

Ich hab mich mal nach Schrittmotoren umgeschaut.
Also mit dem "12VDC Motor mit Quadraturencodern von Pololu" das währe ja dann der da http://www.mikrocontroller-elektroni...tem-drehgeber/
Also wie ich das verstehe ist das ja kein Schrittmotor sondern ein ganz normaler Gleichstrommotor mit Getriebe und Encoder. Hab ich das richtig verstanden oder lieg ich da falsch?
Der hat ja dann im Ruhezustand, also wenn aller Strom weg ist, keinerlei Kraft mehr und der Roboter sinkt in sich zusammen oder?

Dann hab ich mir jetzt noch einen Schrittmotor herausgesucht:
http://www.omc-stepperonline.com/gea...pg27-p-43.html
währe dann die starke Variante mit richtig Wums! Schon fast ein bisschen überdimensioniert oder nicht?

Die Alternative währe:
http://www.omc-stepperonline.com/gea...pg27-p-35.html
Der Nachteil an dieser Variante ist dass er eigentlich genau so viel, ja sogar noch mehr als der andere kostet!
Die Länge von den beiden ist eigentlich gleich.
Die Positioniergenauigkeit ist auch gleich.
Nur beim Gewicht (570g und 310g) und bei der Größe (42mmx42mm und 30mmx30mm) hat der kleinere einen Vorteil!

Aber ich glaub dass das bei den ersten 2 Achsen (vom Standfuß aus gesehen) zu vernachlässigen ist da dort eigentlich keinerlei Hebelkräfte auftreten. Oder was meint ihr?

Wenn ich aber da bestelle bestell ich auch gleich die anderen Motoren mit, da ich ca. 30 Dollar Versandkosten bezahlen muss.
Aber davor muss ich jetzt noch unbedingt die Skizze machen!

Ich hab noch eine Frage an dich ranke:
Warum soll ich beim Greifer anfangen zu zeichnen? Hat das irgend einen Sinn oder ist das egal?
Ich persönlich finde es sehr schwer beim Greifer anzufangen da ich noch nicht weiß wie groß meine anderen Arme sind und ich so das Verhältnis sehr schlecht abschätzten kann.
In Welcher Winkellage soll ich den Roboter zeichnen? Ganz ausgestreckt oder in einem Bogen (So wie der Regenbogen) damit man die Gelenke schön sieht?

Und noch vielen Dank für die tolle Unterstützung die ich hier bekomme!!!

Ach was mir gerade noch einfällt:
Soll ich die Steuerung mit einem Arduino Mega machen oder mit einem Atmega644 so wie hier: https://www.roboternetz.de/community...boterarm/page4
Hat der irgendwelche Vorteile? Kann man den auch mit Visual Studio und der Visual Micro Extension programmieren?
Oder mit welchem Programm programmiert man einen Atmega644?
Mir persönlich würde er ja schon gefallen da ich dann auch noch was zum Löten habe
Ich bevorzuge die Sprache C/C++ und C#(C# kommt aber in Sachen Mikrocontroller so weit ich weis nie vor außer natürlich mit Windows 10 und dem Raspberry Pi )

Achja und dann noch der Motortreiber aber da muss ich mich noch mal ein bisschen einlesen (wegen dem Mikroschrittbetrieb)

[ranke]

Also mit dem "12VDC Motor mit Quadraturencodern von Pololu" das währe ja dann der dahttp://www.mikrocontroller-elektroni...tem-drehgeber/
Also wie ich das verstehe ist das ja kein Schrittmotor sondern ein ganz normaler Gleichstrommotor mit Getriebe und Encoder. Hab ich das richtig verstanden oder lieg ich da falsch?
Der hat ja dann im Ruhezustand, also wenn aller Strom weg ist, keinerlei Kraft mehr und der Roboter sinkt in sich zusammen oder?

Ja, richtig verstanden. Allerdings hat der Motor eine gewisse Reibung in den Lagern und besonders durch die Bürsten. Das erzeugt ein gewisses Haltemoment wenn der Motor nicht bestromt wird. Das Haltemoment wird durch das Getriebe nochmal um das 30-fache verstärkt, zusätzlich wirken noch Reibungskräfte im Getriebe. Leider gibt es in den technischen Angaben aber keine Angaben dazu.
Ein Schrittmotor hat dem gegenüber (wenn nicht bestromt) ein noch geringeres Haltemoment als ein DC-Motor weil er keine Bürstenreibung hat. Es gibt beim Schrittmotor zwar ein gewisses Rastmoment, wenn dieses aber überwunden wird gibt es kein Halten mehr.
In der Praxis wird die Situation dadurch entschärft, dass praktisch jeder Elektromotor für ein Armgelenk mit einem Getriebe ausgerüstet wird, weil die Leistungsabgabe beim Elektromotor eher bei höherer Drehzahl und bei geringem Moment geschieht, für die Armverschwenkung braucht man aber hohes Moment und geringe Verstellgeschwindigkeit. Die Getriebe sind heikel, weil sie immer ein gewisses Spiel haben. Deshalb sollte man bei der Anwendung darauf achten, dass das Getriebe immer in der selben Richtung belastet wird.

Warum soll ich beim Greifer anfangen zu zeichnen? Hat das irgend einen Sinn oder ist das egal?
Ich persönlich finde es sehr schwer beim Greifer anzufangen da ich noch nicht weiß wie groß meine anderen Arme sind und ich so das Verhältnis sehr schlecht abschätzten kann.

Vermutlich sind mehrere Skizzen notwendig. Eine erste, um die Zahl und Lage der Gelenke festzustellen, das hängt von der notwendigen Reichweite und den gewünschten Bewegungsmöglichkeiten ab. Diese Skizze kann sehr grob und schematisch sein, z.B. kleine Kreise für die Gelenke, Striche für die Verbindungen der Gelenke. Man kann da auch in verschiedenen Positionen in einer Skizze arbeiten. Diese Skizze kann man durchaus beim Fuß anfangen.
Eine weitere Skizze dient der Detaillierung, hier muss man dann schon etwas rechnen.
Wenn Du beim Greifer anfängst, musst Du Dir ungefähr überlegen wie der aufgebaut ist, welche Motoren Du dort verbaust und wie der Rest der Mechanik aussieht. Dadurch siehst Du auch schon wie groß das wirklich wird (daher meine Empfehlung im Maßstab 1:1 zu zeichnen) und kannst Abschätzen welche Teile wie schwer werden und wie weit weg sie vom nächsten Gelenk sind. Diese Information brauchst Du um das nächste Gelenk vor dem Greifer zu berechnen. Das ergibt dann wieder ein Gewicht, und so fort. Vom Fuß weg geht das nicht, weil Du ja noch gar nicht weißt wie schwer die Bauteile weiter oben sind.

[Klebwax]

Der hat ja dann im Ruhezustand, also wenn aller Strom weg ist, keinerlei Kraft mehr und der Roboter sinkt in sich zusammen oder?

Das ist bei allen Motoren so, auch bei Schrittmotoren.

Wenn ich aber da bestelle bestell ich auch gleich die anderen Motoren mit, da ich ca. 30 Dollar Versandkosten bezahlen muss.

Die bei Pololu bauen sicher keine Motore, sondern kaufen wie alle in China ein. Das einzige, was sie machen, ist das Produkt gut und ausführlich zu beschreiben. Dafür zahlt man dann den Transport von China nach USA und von USA nach Europa mit all den Gebühren für die Einfuhrabwicklung. Wenn einem das das wert ist, ist's ok. Wenn man aber mehr von einem Teil braucht, kann es sich lohnen, sich selbst über die Teile schlau zu machen und wesentlich billiger (Preis plus Versand) zu kaufen. sowohl über Ebay als auch über Aliexpress gibt es ein riesiges Angebot, dort findet man dann auch die Angebote der gängigen (deutschen wie amerikanischen) Händler wieder.

Achja und dann noch der Motortreiber aber da muss ich mich noch mal ein bisschen einlesen (wegen dem Mikroschrittbetrieb)

Einlesen wird nicht reichen. Man muß alles auch erstmal ausprobieren, um ein Gefühl für die Sache zu kriegen. Erst wenn man mal einen Stepper mit den verschiedenen Ansteuerungen probiert hat, ihn mal mit den Fingern festgehalten oder einen Arm hat drehen lassen, gewinnt man auch ein Gefühl für die Sache. Ich hatte mal einen Stepper sehr schön geschmeidig am Laufen. Als ich aber das Papierfähnchen an der Achse durch eine simple Scheibe ersetzt habe, ging garnichts mehr, also noch mal neu ran an die Ansteuerung. Ähnliches gilt auch für DC-Motore.

Und dazu muß man keine teuren Teile kaufen, vieles kann man durch Ausschlachten von kaputten Geräten gewinnen. Bei vielen Projekten, die man im Netz verfolgen kann, kommt gegen Ende die Aussage: "hätte ich alles gewußt, was ich bis jetzt gelernt habe, hätte ich vieles anders gemacht. Ich denke gerade über eine Version 2.0 nach." Auch mir geht das oft so. Wenn man dann aber sein Budget schon beim Prototyp verbrannt hat, siehts für das Projekt schlecht aus. Auf Youtube findet man haufenweise Beispiele, was man für kleines Geld mal probieren kann.

Viel Erfolg

MfG Klebwax