Zylindrischer Hausroboter

[rhino25782]

Hallo zusammen,

so, das ist mein erster Beitrag, ich probiere mich mal darin, mein ersonnenes Projekt zu beschreiben und würde mich über Anregungen und Tipps sehr freuen.

Mein Ziel ist es, einen "Hausroboter" zu entwickeln. Das ganze soll ein Familienprojekt werden und den Großvater (handwerklich) und die 10jährige Tochter (gestalterisch, spielerisches Ranführen ans Programmieren) einbinden.

Meine persönlichen Erfahrungen sind eher im unteren Bereich anzusiedeln. Daher ist immer auch ein bisschen die unterschwellige Frage: Übernimmt man sich mit so einem Projekt schon, oder ist gerade die modulare Vorgehensweise (siehe unten) eigentlich ganz gut und sinnvoll, um die einzelnen "Lektionen" zu lernen. Ich bin einigermaßen flexibel, was den Softwareteil angeht (immer privat und beruflich mit IT in Berührung gewesen, brauchbare Kenntnisse in C/C++ (etwas eingestaubt), Java, Javascript, Perl, PHP, etc.. Python kann ich zumindest einordnen und Code lesen und verstehen und sehe mich auch in der Lage, das soweit aufzumöbeln, wie ggf. für die Programmierung der Logik des Roboters nötig). Ich habe letztens meine erste Raspberry Pi Erfahrungen gesammelt (habe ein Busy Light nachgebaut, welches von Microsoft Teams den Anwesenheitsstatus abfragt und dann auf eine LED-Phat überträgt und so meiner Tochter vor dem Home Office-Raum anzeigt ob ich verfügbar (grün) oder busy (rot) oder away (gelb) bin). Elektrotechnik beschränkt sich auf den Kosmos-Kasten in der Kindheit und Einlesen in den letzten Wochen.

Mein Ziel ist das folgende: Einen Roboter zu bauen, der auf einer vermutlich runden Chassis aufgebaut ist und als Grundform zylindrisch ist (ein bisschen wie R2D2, ohne den Anspruch zu haben, diesen nachzumodellieren). Als "Korpus" schwebt mir da in der Tat ein Drahtgeflecht-Papierkorb nach diesem Muster vor: https://www.amazon.de/-/en/Relaxdays...843686&sr=8-13 Die Außenhülle kann durch die Tochter später laminiert und gestaltet werden.

Ich möchte gerne modular vorgehen und die folgenden Fähigkeiten in den beschriebenen Ausbaustufen ergänzen:

1. Ausbaustufe: Grundstruktur (Chassis noch ohne Verkleidung) und Vorwärts/Rückwärtsbewegen sowie Kurven. Dazu sollen zwei Räder mit Motoren verbaut werden sowie 1x Gleitkugel (also ein "Tricycle"-Aufbau). Steuerung zunächst per WLAN, entweder einfach über Terminal Session oder je nach Lust und Laune mit einer einfachen Web-Bedienoberfläche. Fahrten natürlich innerhalb der Wohnung nur langsam notwendig. Das Gewicht des ganzen Roboters sollte m. E. künftig 5 kg nicht übersteigen.
2a. Ausbaustufe: Ergänzen der zylindrischen Verkleidung (also das Drahtgepflecht-Papierkorbs o. Ä.) sowie Anbau erster Sensoren um Objekte im Fahrtweg festzustellen (Ultraschall Sensor, Infrarot Sensor, o. Ä.) sowie ein einfaches Display um Gemütszustände auszudrücken (kleines OLED, oder LED-Matrix, o. Ä.).
2b. Ausbaustufe: Weitere Pheriperie - Geräusche wahrnehmen (Mikrofon) und darauf reagieren, Äußerungen ausgeben (Lautsprecher), Dinge sehen (Kamera) (im "Gesichtsbereich"des Roboters, als vorne oben im Zylinder)
3. Ausbaustufe: Sprechen, Sprache verstehen (Richtung digitaler Assistent als Alexa-Ersatz)
4. Ausbaustufe: Autonome Navigation in der Wohnung, Autonomes Verhalten (Begrüßen wenn er Leute sieht o. Ä.), Smarthome-Geräte kontrollieren
5. Ausbaustufe: Ladestation mit autonomem Laden (hier bin ich noch unsicher, ob wir das wollen und ob das "sicher" zu bewerkstelligen ist. Ich habe großen Respekt vor LiPos)

Meine große Frage ist aktuell, mit welchen Komponenten beginne ich mit Stufe 1, so dass ich uns für die folgenden Stufen nichts verbaue.

Als Basis möchte ich nach Möglichkeit wieder einen Raspberry (Zero? Oder doch eher größer?) verwenden. Ansonsten bin ich gerade recht viel auf joy-it.net unterwegs und bin der Meinung, dass hier recht viele sinnvolle Komponenten zu haben sind. Aber ich scheitere ein wenig an der Auswahl, etwa der Motoren. Und dann auch die Frage der Motorenansteuerung. Brauche ich für das obenbeschriebene Szenario einen separaten Microcontroller (die Anfängerfrage schlechthin?) und welcher ist am besten mit dem RPi kombinierbar, ohne dass ich mir eine Sackgasse baue. Hier im Roboternetz habe ich zwar viele Infos dazu gefunden - habe aber das Gefühl, dass die "Wiki"-Texte oft viele Jahre alt sind (keine Kritik) und bin mir dann nicht sicher, ob die Infos so noch gelten.

Halter ihr den Ansatz grundsätzlich für machbar? Ich möchte ungern erst ein "Wegwerfprodukt" als Zwischenlösung zum Lernen bauen, sondern eben lieber modular aufbauen. Ich bin der Meinung, dass die beschriebene Form eine recht einfach realisierbare Form ist, die auch im Innenraum des Zylinders viel Platz bietet. Ich fand es bei der Recherche erstaunlich, dass ich wenig bis keine vergleichbare Projekte gefunden habe.

Danke für Einschätzungen, Tipps, Warnungen, Teile-Empfehlungen etc!

Schönen 4. Restadvent und Grüße

Patrick

[Defiant]

Wie viel Zeit möchtest du denn investieren und wie hoch ist dein Budget?

[Rabenauge]

Machbar ist das schon, wenn du ein bisschen Erfahrung mit den Raspis hast, denke ich.
Allerdings solltest du wissen, dass ein Raspi für Steueraufgaben nicht unbedingt optimal ist.
Ich würde die Steuerung nen Arduino machen lassen (die können das bei weitem besser), und den Pi zum rechnen (erst mal unnötig) und die WLAN-Steuerung nehmen.

Was ich für nicht optimal halte sind das Antriebskonzept und auch der Papierkorb.
Antrieb: _ich_ würde es mit drei Motoren und Allseitenrädern machen. Da kann man beispielsweise Schrittmotoren verwenden, und in irgendeiner Ecke festfahren gibts nicht mehr.
Bei einem Zweirad-Antrieb kann man das, wenn man die Anordnung gut wählt, zwar auch hinkriegen, aber dann wirds auch etwas kippelig. Wenn sowas auf dem Punkt drehen soll, müssen die beiden Räder mittig sein.
Ausserdem erspart man sich bei Schrittmotoren zusätzliche Odometrie-Sensoren (ohne die ein vernünftiges manövrieren in ner Wohnung oder so kaum möglich sein wird, irgendwoher muss ja der Papierkorb wissen, wo er ist).
Grundsätzlich ist deine Lösung zwar deutlich einfacher, aber auch eingeschränkter.

Wegen dem Papierkorb: du wirst Aussparungen brauchen, du wirst jede Menge Montagemöglichkeiten brauchen, das kriegt man zwar mit dem Drahtgitter schon irgendwie hingefrickelt, aber was ne Bastelei....wenn da sowieso jemand ein Gehäuse "basteln" will, wieso nicht einfach nur ne tragende Struktur innen, die alles trägt?
Ich würds mitm 3D-Drucker machen (falls du einen hast). Da kann man auch gleich die nötigen Befestigungen vernünftig lösen.

Und: WLAN heisst Funkwellen. Die müssen also durch das Drahtgitter durchkommen- je nachdem, wie fein es ist, kannst du das entweder völlig vergessen, oder es wird schlecht funktionieren (zumal die Pi's im Funkbereich keine Heldentaten vollbringen).

Wegen dem Zero: ich spiel auch ganz gerne mal mit denen (...billiger als'n Arduino...), aber die Rechenleistung ist auch begrenzt. Ein gut Teil geht schon fürs System und das Interface (ich arbeite eigentlich immer mit VNC und nem virtuellen Bildschirm, weils so schön praktisch ist) flöten.
Bisselwas schafft der schon noch, aber die Dinger haben halt ihre Grenzen. Spätestens beim Kamerastream in HD wird es dann eng, da läuft meiner schon mal auf 100% Last.
Besser wird es, wenn man auf den Desktop verzichtet-aber wer will das schon (ich jedenfalls nicht).
Den 3er (ich hab den B oder 3+ oder sowas) hab ich noch nicht wirklich in die Knie bekommen.

Wenn du vorgehst, wie _ich_ es machen würde (nämlich für die Sensoren und die Antriebssteuerung einen Arduino nehmen, da reicht schon ein ganz billiger ProMini oder Nano), wirst du nur mit wenigen Leitungen zwischen Pi und Arduino auskommen, du kannst also erstmal nen Zero nehmen, und den später ggf, austauschen.
Falls du vor hast, später mit vielen Sensoren zu arbeiten, wäre vielleicht ein Arduino Mega2560 (gibts auch Clone für wenig Geld) die bessere Wahl- die haben abartig viele IO-Pins, sowie drei serielle Schnittstellen (UART). Kostet ein bisschen mehr, aber kann auch so richtig was.

Mein Freddie hat nen Arduino Nano als "Fahrer"- der handlet zwei Motoren, zwei Lichtschranken-Odometer(die per Interrupts überwacht werden->wichtig), überwacht den Akku, vier weitere Lichtschranken als Hindernis-Sensoren, liest ein Joypad aus (fünf Taster), und kann nebenher noch einiges über den I2C-Bus erledigen.
Mehr wirds dann aber auch nicht- der ist Pinmässig ausgereizt.
Für die weiteren Sachen hab ich derzeit da auch nen Pi Zero drauf, an der Kommunikation zwischen den beiden sitz ich noch (I2C kann der Pi auch nicht ganz so, weil er das nicht hardwaremässig kann, ich habs z.B. nicht geschafft, den als Slave laufen zu lassen).

[jmoors]

Übernimmt man sich mit so einem Projekt schon, oder ist gerade die modulare Vorgehensweise (siehe unten) eigentlich ganz gut und sinnvoll, um die einzelnen "Lektionen" zu lernen.

Alleine über das Thema "Navigation eines Roboters" wurde schon unzählige Doktorarbeiten geschrieben. Aber lass' dich davon nicht erschrecken. Andere haben das auch hinbekommen. Ich denke, Du hast die wichtigste Regel schon befolgt: Teilen und beherrschen! Du hast dein Projekt in Teilschritte zerlegt. zerlege jeden Teilschritt in kleine, weitere Sub-Projekte und diese nochmals in Sub-Sub-Projekte, so dass Du quasi eine Anzahl X an Tagesaufgaben erhältst. Dann bleibt das Ganze übersichtlich und Du siehst immer wieder Teilerfolge. Mit einem Mindmapping-Programm, wie z.B. Freemind, kannst Du übersichtlich das Gesamtprojekt in Teilprojekte zerlegen.

[Moppi]

Räder

Als Hinweis, für die Überlegung. Es waren ja nur zwei Räder im Spiel. Ich hatte eine ähnliche Konstruktion, wollte aber, dass das Gerät sicher steht (kein Hilfsrad benötigt) und problemlos geradeaus fährt.



Auch ohne elektronische Steuerung fährt das praktisch schnurgerade, was allein bei nur einem Rad links und rechts nicht selbstverständlich ist. Drehen kann so was, wenn auf einer Seite die Räder entgegengesetzt drehen. Beide Motoren einer Seite werden wie ein Rad behandelt und gesteuert.

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Zum Thema Motoren, da war ich auch mal auf der Suche. In diesem Thread. Und hatte dazu noch mehr gefunden.


Liebe Grüße

[rhino25782]

Hallo zusammen,

vielen Dank für die Antworten schon einmal!

Also ein finites zeitliches und finanzielles Budget gibt es nicht. Für mich ist ein Stückweit auch der Weg das Ziel und für meine Tochter soll der Lerneffekt auch sein, dass die ganzen Gadgets, die sie so kennt, nicht einfach so vom Himmel fallen, sondern da sehr viel Detailarbeit drin steckt.

Dennoch mal als grobe Rahmen: Ich würde gerne recht "zügig" (innerhalb einiger Wochen, sprich Stunden) mal die Ausbaustufe I erreicht haben. Eine Chassis, die man ferngesteuert bewegen kann. Für das Gesamtprojekt (und natürlich wird es unterwegs neue Ideen geben oder bestehende Ideen weisen sich als nicht sinnvoll heraus etc.) würde ich mich freuen, wenn wir im November soweit "fertig" sind, dass der Roboter eine tragende Rolle verkleidet als Geist bei unserer Halloween-Geisterbahn einnehmen kann. Vom finanziellen Budget her: Ich finde, viele Einzelteile sind erstaunlich günstig. Der ganze Spaß sollte denke ich mal vom groben Rahmen her im dreistelligen Bereich bleiben (können).

Zur Steuerung: Ich habe tatsächlich noch nicht abschließend verstanden, warum der Raspberry Pi hierzu nicht ausreicht. Klar - die Anschlüsse reichen nicht, aber dafür gibt es ja, wenn ich es richtig sehe, entsprechende Extensions. Aber neben den Anschlüssen, welche Vorteile verschafft mir ein separater Mikrocontroller wie der Arduino Mega2560 konkret - dann ja mit dem "Nachteil" einer komplizierteren Architektur. Könnte man dann sinnvollerweise den RPi und Mega2560 per USB verbinden um die Kommunikation im Betrieb zu gewährleisten?

Weiterhin habe ich die Vorbehalte gegenüber dem Antriebskonzept, bzw. die relevanten Vorteile eines dreimotorigen Konzepts mit 3 omnidirektionalen Rädern noch nicht ganz verstanden. Ein auf der Stelle drehen und omnidirektionale Bewegung finde ich gar nicht so wichtig. Wenn der Roboter sich in eine Ecke verfährt, kann er doch einfach rückwärts wieder rausfahren? Dennoch hatte ich aber auch schon solch ein Chassis im Fokus gehabt. Hier gibt's eins mit drei Allseitenrädern inkl. Motoren. Gibt es Einwände gegen so ein Produkt? Kommt aus China und scheint mir recht teuer, aber mir gefällt es grundsätzlich ganz gut: https://www.amazon.com/SZDoit-Premiu...cx_mr_hp_atf_m

Den verlinkten Papierkorb für 3,90 EUR habe ich mir übrigens mal bestellt und werde mal mit meinem vorhanden RPi Zero prüfen, wie sich das WLAN Signal im Innenraum des Korbs verhält.

VG

Patrick

[jmoors]

Die von dir verlinkte Plattform auf Amazon finde ich nicht teuer. Immerhin sind dort 3 Motoren mit Encoder vorhanden. Ich finde, die Plattform ist viel zu klein. Mit etwas mehr als 20cm im Durchmesser kannst Du nicht wesentlich in die Höhe gehen, weil das Teil sonst umkippt. Ich weiß nicht genau, welche Größenvorstellungen Du hast, aber meiner Meinung nach sollte eine solche Plattform doppelt so groß sein, damit Du nicht im Platz zu sehr eingeengt bist.

VG, Jürgen

[inka]

die stromversorgung, sprich akku, ist letztendlich immer ein kompromiss zwischen der roboterform, der gewollten aktionsdauer und dem was auf dem markt zu bekommen ist...

Hier der ministaubsauger (erstmal nur das fahrgestell)

https://youtu.be/cuWUW7My57U

[rhino25782]

Moin zusammen,

hier mal zum neuen (frohen) Jahr ein Update.

Über die Feiertage waren die diversen bestellten Teile langsam eingetrudelt. Ich hatte dann gleich auch noch einige weitere Seeed Grove Sensoren/Module bestellt, da die einzeln ja doch recht günstig sind. Somit habe ich nun von Grove ein Mikrofon, einen Speaker, ein Accelerometer, eine LED-Matrix und eben den US-Sensor vorliegen. Zusätzlich auch das Kameramodul mit Infrarot (hauptsächlich, weil es so toll nach Roboter aussieht, um ehrlich zu sein).

Dann haben wir im neuen Jahr den Zusammenbau begonnen und ich bin überrascht, wie gut das soweit funktioniert hat. Wir haben die erste oben beschriebene Ausbaustufe und etwas mehr ohne größere Rückschläge hinbekommen. Die Montage des Chassis war schnell gemacht. Beim wenigen erforderlichen Löten (nur der Motor Controller) musste ich zunächst ein wenig üben (das letzte Mal in der Schule, ewig her), hat aber am Ende gut geklappt. In den Abendstunden hab ich mir jeweils Python angelesen und dann nach erfolgreicher OS-Installation auf dem Pi und der Montage die ersten Programme erstellt.

Damit haben wir eine fertige Chassis, die sich (aktuell natürlich weder autonom, aber auch noch nicht über eine hübsche Web Oberfläche, sondern per Remote Desktop aus der Python IDE Thonny heraus) in 4 Richtungen bewegen kann (Vor, Rück, Rechts, Links), die sich in beide Richtungen im Kreis um die eigene Achse drehen kann, die bei Hinderniserkennung nach vorne (bei 20 cm) anhält, einen Signalton ausgibt und eine Info über das Hindernis ins Terminal schreibt.

Das Bild ist nicht ganz aktuell, mittlerweile sind mehr Sensoren etc. angebaut:



Da das Ausprobieren am Netzkabel doch etwas hinderlich ist, habe ich am Wochenende eine ausreichend dimensionierte Powerbank ergänzt für den Raspberry. Die Motoren werden eh von 6 AA-Batterien seperat bestromt. Beides (die Batterien und die Powerbank) liegen zumindest fürs Experimentieren einigermaßen komfortabel auf Etage 1 des Chassis, während die weiteren Bauteile größtenteils auf Etage 2 angebracht sind. Später möchte ich die Energiezufuhr am Korpus (ggf. außen als "Rucksack") befestigen. Ob wir bei der Powerbank bleiben, weiß ich noch nicht. Blöd wäre ja bei wirklich einigermaßen autonomem Betrieb, dass der Pi einfach irgendwann ausgehen würde.

Weitere aktuelle To Dos sind die Bedien und Info-Weboberfläche sowie die Befestigung des Korpus aka Papierkorbs. Zu letzterem haben wir Opa eingebunden und er ist am Thema dran...

Aktuell habe ich folgende Fragen/Problemchen:

Ich scheitere noch etwas an der wackelfreien und zukunftssicheren Befestitung der Komponenten an der Chassis. Die verfügbaren Löcher in der Chassis passen ganz gut für M3 Schrauben. Für den Raspberry braucht es M2.5 und die Grove-Elemente M2. Außerdem müssen manche Sensoren ja im 90%-Winkel anbegracht werden. Irgendwie fehlt es mir da an den richtigen Adaptern, Passtücken um das sinnvoll zu verbinden. Und dann wäre auch die Frage, wie man da am geschicktesten mit Unterlegscheiben arbeitet, an welchen Stellen machen die Sinn, damit sich die Schräubchen im Betrieb nicht ständig lösen. Winkel im Baumarkt und Online sind selten oder nie mit M2-Löchern zu finden, da man wohl in der Regel eher Schränke und Tische damit verbindet.

Der Lautsprecher kann im Prinzip über PWM oder Digital GPIO angesteuert werden. PWM habe ich nicht zum Laufen bekommen, über GPIO bekomme ich einfache "Buzzer"-artige Töne hin. Hat jemand Erfahrung damit, einen Lautsprecher, der nicht über die normale Audio-Schnittstelle des Raspberry verbunden ist, zur Wiedergabe von Audio-Dateien zu verwenden? Mir geht es ja letztlich um Sprachausgabe. Die kann ruhig blechern klingen, aber nur Buzzer-Töne reichen nicht. Ich habe dieses Teil: https://www.seeedstudio.com/Grove-Sp...us-p-4592.html Lautstärke ist erstaunlich gut, dafür dass es kein mit externer Stromversorgung betriebener aktiver Speaker ist..

[jmoors]

Wenn Du keine Winkel hast, nehm' ein Stück Holz und bohr Löcher rein. Damit metrische Schrauben funktionieren, kannst Du ab M3 Rampa-Muffen benutzen: https://www.rampa.com/de/de/hartholz...messer-5_x_0_5

Kleine Schrauben bekommst Du im RC-Modellbau, z.B. beim Himmlischen Höllein: https://www.hoelleinshop.com/futaba-...=16007&p=16007

Bez. der kleinen Schrauben in den großen Löchern: Kauf die ein Set Unterlegscheiben und Zahnscheiben, z.B. hier: https://www.amazon.de/Unterlegscheib...2s9dHJ1ZQ&th=1 und hier https://www.amazon.de/Zahnscheibe-Si...ps%2C67&sr=8-6.
Dann machst Du eine Zahnscheibe auf die Schraube und dann Unterlegscheiben, bis die Auflagefläche groß genug ist, also in der Reihenfolge auf die Schraube schieben: Zahnscheibe, kleine Unterlegscheibe, große Unterlegscheibe.
Vorsicht: Baumärkte fangen erst bei M3 mit Schrauben an. Kleinere Schrauben und Unterlegscheiben bekommst Du hier: https://modellbauschrauben.de/

VG, Jürgen