Hydraulischen Roboter

[forgoden]

Hallo,

wenn man einen richtigen Roboter bauen möchte, ähnlich wie diese von Boston Dynamics, dann müssen die eigentlich hydraulisch gesteuert werden.

Deswegen wäre es nicht schlecht wenn man mal da irgendwo anfangen kann. Die bewegen sich im Gegensatz zu Elektromotoren viel schneller und lebhafter. Und im Gegensatz zur Pneumatik erlaubt Hydraulik partielle Bewegungen.

Für Pneumatik kann man schon viele Teile wie Magnetventile oder Zylinder in verschiedenen Typen einfach so aus China neu bestellen, oder in Ebay Gebrauchte von Festo kaufen.

Aber wie schaut es mit Hydraulik aus? Die arbeiten doch mit viel höheren Druck (bar) und welche Komponente braucht man da alles, damit man zumindest ein oder zwei kleine Zylinder ansteuern kann ? Mir ist halt nicht so ganz klar, denn diese pneumatischen Magnetventile können auch Wasser oder Öl als Medium steuern, aber es wird nur 10 bar angegeben. Ist das nicht viel zu wenig? Es fehlen da noch gewaltig Einführungen.

Was wisst ihr so ?

[oberallgeier]

.. Roboter .. wie diese von Boston Dynamics .. hydraulisch gesteuert .. Was wisst ihr so ?

Leider kaum was über die Daten der Boston-Dynamics-Dinger. Aber 10 bar sind eindeutig wenig, ein bisschen mehr darfs schon sein. Viele industrielle Maschinen arbeiten mit 120 bar; ein "Standarddruck" für Hydraulikzylinder ist z.B. 250 bar, Flugzeughydraulik z.B. beim A380 bis 345 bar, üblich sind bei Airlinern 4000 psi. Kommt immer auf den Fall an, es gibt natürlich Nischen mit Ausnahmen.

.. welche Komponente braucht man da alles, damit man zumindest ein oder zwei kleine Zylinder ansteuern kann ..

Pumpe, Tank, Filter, Kühler (besonderns wenns keine Nullhubpumpe ist), Ventilplatte(n), Ventile, Rohrleitungen, evtl. Elektrik für Ansteuerung, Verbindungsstücke, Verbindungsstücke, Verbindungsstücke. Und eine ziemliche Aufgabe ist es so ein Teil leckfrei zu kriegen.

.. Was wisst ihr so ..

Sieh mal bei MichiE nach (klick).

Nachtrag: beim A380 wurde Wert auf Leichtgewicht gelegt. Dahe wurden etliche Hydraulikantriebe durch elektrische ersetzt. Dies ist ja ein gewisser Hinweis auf die Pros und Contras - wenn die (elektrische) Antriebsleistung und/oder die Leistungsdichte am Ort des Leistungsbedarfs ausreicht oder gewisse Anforderungen auch ne Alternative zulassen.

[Ceos]

warum muss es unbedingt viel Druck sein!? Ist es nicht eigentlich eher sinnvoll den Druck der Gegebenheit anzupassen?!

Ich meine, deine Finger drückst du ja auch nicht mit einem Konstanten Druck zusammen, er basiert eher auf dem Material dass du festhalten willst und am Roboter ist es halt je nachdem welchen Durchmesser dein Arbeits-Kolben hat und welchen Hebel für den Finger du verwendest. Da braucht es nur ganz wenig Druck ...


Im Vergleich kommt es bei den Beinen auf deutlich höheren Druck an und der berechnet sich dann schlicht nach Hebelfaktor, Kolbendurchmesser und Gewicht des Robo ....

Pneumatik lässt sich auch "Teilpositionieren" aber genau wie bei der Hydraulik gehört da viel Köpfchen dazu um "die Richtige" Position zu finden inklusive Nachlauf deiner Regelung usw.

Bei Pneumatik missbraucht man den Fakt dass die Luft sich komprimieren lässt, man muss also nicht Regeln oder Teilpositionieren, ist ja alles diskret "Luftgefedert" und macht den ganzen Aufwand erheblich einfacher wenn man nur Auf und Zu braucht

[i_make_it]

Bei Boston Dynamics findet man halt überall Hinweise auf "custom made".
Da die bis jetzt erst mal nur eine Menge (Steuer-) Geld versenkt haben und keine Einnahmen durch Verkäufe den Entwicklungskosten entgegenstehen, wird die Darpa und das DoD wohl den Finger drauf haben was die Öffentlchkeit und somit auch andere Länder an Infos bekommen.

Was allgemeines
http://www.bath.ac.uk/ptmc/robotics/...0plummer-1.pdf

Atlas Bein (links)
https://3dprint.com/wp-content/uploads/2015/08/b22.png

Big Dog Hydraulik
http://www.bostondynamics.com/img/BigDog_Overview.pdf

Italienische Version
http://www.gizmag.com/hyq-hydraulica...d-robot/20313/

[forgoden]

Dann liegt es irgendwo bei 80 bar ?

Kann jemand vermuten welche Zylinder, Ventile und Pumpen man für sowas braucht, und der Preis im erschwinglichen Bereich wäre? Man muss halt mal irgendwo anfangen ^^

[i_make_it]

Lesen hilft, nichtlesen halt nicht.

Ein Blick in meinen Link:

Big Dog Hydraulik
http://www.bostondynamics.com/img/BigDog_Overview.pdf

und man sieht dort die 3000Psi Hydraulikpumpe.
Das sind dann mal über 206 bar.
Allerdings sehe ich aus dem wenigen geschriebenen, daß das Projekt eine Totgeburt werden wird, weil noch nicht genug über die Anforderungen nachgedacht wurde.

Die Pumpe ist das letzte was man auswählt.
Erst mal will man was machen (bewegen).
Dafür braucht es einen Zylinder.
Der muß eine bestimmte Kraft entwickeln und eine bestimmte Geschwindigkeit auf einem bestimmten Weg erreichen.
Damit kommt man auf Länge (Hub) Durchmesser, Druck und Volumenstrom des Zylinders.
Der Druck und der Volumenstrom muß von den Leitungen und auch von den Ventilen bereitgestellt werden können.
Der Bedarf aller Aktoren ergibt dann die Daten für die Pumpe.

Was nutzt mir eine 1000 bar Pumpe mit 0,1L/s wenn mein Zylinder ein Volumen von 1L bei 20cm Weg hat?
Der kann sich dann vor lauter Kraft nicht bewegen?
Sprich das Beispiel braucht 10 Sekunden für die 20cm.

Beim Preis von Custom Made Hydraulik kommt es stark darauf an was man fremd vergibt und was man selbst macht.
Also Wenn man eine Drehmachine, eine Fräsmachine, eine Werkzeugschleifmaschine und einen Wärmebehandlungsofen hat, hat man nur die Werkstoff- Werkzeug- und Energiekosten.
Die Firma die eine Auftragsarbeit ausführt, will daran auch was verdienen.
Zwichen diesen Extremen liegt der Preis.
Für Kaufteile mal Tante Google anhauen und bei den üblichen Hydraulikanbietern wegen Katalogen und Preislisten anfragen.

[i_make_it]

Hier noch mal als Denkanstoß, damit es eben keine Totgeburt wird ein Denkanstoß.

Mal ein einfacher Ansatz um Startwerte für einen humanoiden Roboter zu haben.

Dichte von Stahl = 7,85kg/dm³
Dichte von Aluminium = 2,7kg/dm³

Volumen eines durchschnittlichen erwachsenen Menschen = 750dm³

Masse, masiv aus Stahl = 5887,5kg
Masse, masiv aus Alu = 2025kg

Geht mal also davon aus das der Körper massiv aus Alu besteht, hat man eine maximale obere Masse festgelegt.
Mit der erstellt man sich sein Berechnungsgerüst z.B. in Excel.

F=m*g
F=2025kg*9,81m/s²
F=19865,25N

Davon ausgehend, das der Roboter als Bipedales System seine gesammte Masse mit einem Bein stemmen können muß,
kann man also die resultierende Kraft als wirkende Gewichtskraft für ein Bein nehmen.

Kolbendurchmesser = 50mm
A=r²*Pi
Kolbenfläche = 1962,5mm²

Wenn ein Bein nicht mehr als 12-15cm Durchmesser haben soll und man ja auch Platz für eine Stützstruktur braucht,
kann man die Kolbendurchmesser einfach mal auf 50mm als Obergrenze festlegen. Da kommt ja noch die Zylinderwand und die Zylinderenden dazu.

p=F/A
p=19865,25N/1962,5mm²
p=10,12N/mm² = 101,2bar

Das wäre für den einfachen Fall, im Bild links.



Ein Bein hat aber Drehgelenke und faltet sich am Knie zusammen wenn es sich beugt.
Das heist wir haben Drehmomente und Hebelarme.
Greift also die Kolbenstange 50mm von der Drehachse entfernt an, hat l1=50mm.
Ist der Oberschenkel z.B. 400mm lang ist l2 400mm.
Das Verhältniss ist 50mm:400mm = 1:8
Im ungünstigsten Fall muß der Zylinder also 1986,25N * 8 = 15890N bewegen.

Das wären dann bei an sonsten gleichen Werten 809,6bar.

Jetzt sollte der Roboter nicht unbedingt über 2 Tonnen wiegen, und man hat ja schon mal ein paar wenige Informationen von bestehenden Systemen wie dem Mad Dog.

Nimmt man dessen 206 bar und rechnet mal von 200 bar rückwärts, kommt man auf eine maximale Gesamtmasse von rund 500kg.

Jetzt nimmt man diese neue Obergrenze für die Masse und rechnet erneut.
Um aus der Hocke ausfzustehen müssen zwei mal Fuß- zwei mal Knie- und zwei mal Hüftzylinder mit Hydraulikflüssigkeit gefüllt werden.
Dazu kommen bei Schräglage noch je zwei weitere seitliche Zylinder an den Hüften und den Fußgelenken.
Eine gewisse Reserve für Schulter, Ellenbogen und Handgelenk muß man auch haben, da die ggf. eine Ausgleichsbewegung ausführen müssen. Nimmt man also für alle Zylinder an, das sie alleine die Maximalkraft aufbringen müssen, kommt man auf ein Volumen das pro Zeiteinheit zu füllen ist.
Damit kommt man auf den Volumenstrom den die Pumpe liefern muß ohne das der Druck einbricht und hat so zwei Kennwerte um eine Hydraulikpume zu wählen.
Damit kommt man auf deren konkrete Masse und Leistungsaufnahme.
Mit der Leistungsaufnahme kann man einen Motor wählen und eine Energiequelle.
Somit bekommt man deren Masse.
Nun kann man konkrete Zylinder bei Anbietern auswählen und erhällt deren Masse und genaue Maße.
Noch passende Ventile auswählen und man hat die selben Informationen für die.
Jetzt noch die Hydraulikleitungen, deren Durchmesser duch Druck und Volumenstrom festgelegt sind.
und deren Länge man braucht.
So erhält man deren Masse (erst mal länger wählen, kürzen kann man später immer noch)
Wenn man jetzt alle Volumen von Zylindern, Leitungen, Ventilen, Pumpe etc. zusammenrechnet, kann man die Masse der Hydraulikflüssigkeit ermitteln (Speichertank und eine Reserve für Undichtigkeiten nicht vergessen)
Jetzt kann man sich an die erste Konstruktionsberechnung der Stützstrukturen machen.
Wenn man sich noch auf das Volumen des durchschnittlichen erwachsenen Menschen bezogen die Volumen der der einzelnen Gliedmaßen beschafft, und diese ins Verhältniss zum Gesammtvolumen setzt, kann man über das Verhältniss die Maximalmasse der Gliedmaßen ermitteln.
Und prüfen wie gut oder schlecht die eigene Konstruktion im Verhältniss zu dieser Referenz dasteht.
Übleicherweise wird sich bei zunehmender Konkretisierung der einzelnen Teile ergeben, das man mindestens noch ein zweites mal mit den veränderten Werten rechnet um zu prüfen ob auch wirklich alles den Beanspruchungen hällt und ggf. wo man Teile kleiner wählen kann wie bei der ersten Festlegung. Dadurch ergibt sich dann zwansläufig die Notwendigkeit eines weiteren Durchrechnens.
Das geht solange itterativ, bis alle Teile des gesamten Systems berücksichtigt sind und alles rechnerisch passt.
Danach muß man nur noch die konstruierten und berechneten Teile herstellen und die gewählten Kaufteile bestellen und kann ans Montieren gehen.
Die Softwareentwicklung ist dann allerdings ein ganz eigenes Thema.

[ranke]

Volumen eines durchschnittlichen erwachsenen Menschen = 750dm³

Das schafft noch nicht mal der Durchschnittsamerikaner. Bei einer angenommenen Masse von 75 kg und einer Dichte von 1 kg/dm^3 (70% Wasser) sind es 75 dm^3. Entsprechend erleichtert sich auch der nachfolgende Rechengang.

[i_make_it]

@ranke: Mist eigentlich hatte ich gehofft das der TO sich zuerst meldet und ob ihm die Verzehnfachung auffällt.
http://www.samariter-grenchen.ch/joo...nsch-in-zahlen
Es sind natürlich 75 und nicht 750dm³. ;> .

[forgoden]

hm, also ich fang erst mal mit Pneumatik an, damit ich ungefähr verstehe wie Druck funktioniert. Ich weiss, es ist kein Vergleich weil Pneumatik sehr "federt".

Bei Hydraulik muss man aber auch wissen welche Teile ich nehmen darf. Wenn es mit 200 bar oder mehr arbeitet, dann dürfen es ja nicht 10 bar Magnetventile sein. In Aliexpress kann man "solenoid valve" eingeben und die ganzen Ergebnisse die da rauskommen sind scheinbar entweder für Luft oder für Wasser und Öl aber ohne Hochdruck gedacht. Und kosten von 5 bis 30 euro Deswegen vermute ich dass solche Magnetventile die bis 300 bar aushalten können sehr teuer sind. Erst recht wenn man die Teile hier bestellt.

Aber danke für die Theorie. Dann weiss ich ungefähr wieviel bar es sein müssen.