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Thema: Alternativer Antrieb für Hobby-Hexas... ?

  1. #1
    Erfahrener Benutzer Robotik Einstein Avatar von Klingon77
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    Alternativer Antrieb für Hobby-Hexas... ?

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    hi,

    Warnung:
    Viele Fotos und ein wenig Text...

    seit geraumer Zeit mache ich mir Gedanken um einen alternativen Beinantrieb für die "Hobby-Hexas" bzw: Schreitroboter im allgemeinen.

    Vorab sei gesagt:
    Das da wesentlich kompetentere Leute als ich es bin, dran "knabbern", ist schon klar."

    Dennoch: Was mich bei den üblicherweise verwendeten Servos immer gestört hat, ist der permanente Energieverbrauch; auch im Stillstand des Beines / Hexas.

    Folgende Idee möchte ich gerne einmal in der Praxis umsetzen (zuerst nur einmal) und testen:

    Was haltet Ihr davon? Macht es Sinn, so etwas zu bauen?









    Wo fange ich an...

    In Prinzip handelt es sich um einen Linarantrieb.
    Die Drehbewegung des Motors wird in eine lineare Bewegung umgesetzt.

    Bauen möchte ich in Makrolon/Lexan, Messing und Stahl.

    Das hier vorgestellte Getriebe hat folgende techn. Daten:

    Breite: 27mm
    Höhe: 55mm
    Länge: 61,4mm (mit ungekürzter Motorwelle)
    Länge: ca. 59mm (mit gekürzter Motorwelle)

    Gewicht: ziemlich genau 100 Gramm (mit allen Befestigungsschrauben; wie gezeichnet)

    Motor: http://www.conrad.de/goto.php?artikel=229020

    Nennspannung: 12 V/DC
    Abgabeleistung: 8.9 W
    Effizienz: 65 %
    Leerlauf-Drehzahl: 11 780 U/min
    Leerlaufstrom: 0.10 A
    Abm.: (L x B x H) 36 x25 x 19 mm
    Wellen-Länge: 9.7 mm
    Gewicht: 38 g
    Wellen-Ø: 2 mm
    Spannungsbereich: 4 - 18 V/DC
    Last-Drehzahl: 5890 U/min
    Max. Drehmoment: 1.47 Ncm
    Strom bei max. Wirkung: 1.74 A

    Motorritzel: 12 Zähne Modul 0,4
    Zahnräder: 60 Zähne Modul 0,4 ... logisch

    Schieber und Gewindespindel aus Messing (M3 jeweils einmal Rechts- und Linksgewinde)

    Führungsstange: Silberstahl 2mm

    2 Kleinst - Radialkugellager 692 ZZ (innen: 2mm; außen: 6mm; Breite:3mm) jeweils am Ende der Messing-Gewindespindel

    Ein Drucklager (in dieser Version aus Messing gedreht) zur Aufnahme der Axiallast. Ein nachträglicher Umbau auf ein Kleinst-Axiallager mit den selben Abmessungen wie die beiden Radiallager ist denkbar; bei einem Stückpreis von ca. 3,50€ habe ich aber in der Testversion davon abgesehen.

    Gewindehülse zum Einstellen des Axialspiels der Gewindespindel.

    Die beiden Messing-Schieber bewegen sich durch die rechts- und linksläufige Gewindespindel (M3) jeweils entgegengesetzt.
    In die beiden kleinen Bohrungen wird eine Stahllitze (Edelstahl 1,2mm Durchmesser) eingeführt und mit der M2 Schraube (und einer Aderendhülse) geklemmt.

    Über diese beiden Litzen (linke und rechte Seite) soll mit Hilfe zweier Umlenkrollen auf der Gelenkachse, auf der die Litze geklemmt wird eine Drehbewegung ausgeführt werden.
    (noch nicht gezeichnet)

    Was mir noch etwas "Bauchweh" macht ist der Ausgleich der "Überbestimmung" der Litzen am Getriebe. Da muß ich noch irgend eine Dämpfung entwerfen.

    Die Umlenkrollen sollen einen Wirkdurchmesser von 28,8mm haben.
    Dann wird die Litze beim austreten aus den Schiebern nicht geknickt.

    Geplant ist ein Bewegungsbereich von +- 60 Grad des jeweiligen Gelenks.
    Das ist zwar nicht so viel wie bei den Servos; sollte aber für ein Hexa-Bein ausreichen.



    -------------------------------------------------------------------------------------

    Soweit die Theorie; nun zur Praxis:

    Einige Teile habe ich schon bestellt und erhalten.
    So konnte ich die letzte Woche, obwohl ich momentan nur sehr wenig Zeit habe, mit dem Bau beginnen.

    Die beiden großen Zahnräder wollte ich aus Gewichts- und optischen Gründen etwas modifizieren.



    Die Zahnbreite beträgt 1,5mm und ich dachte mir, das da viel zuviel Material ist.

    Also habe ich die Zahnräder mit meinen letztens gefertigten Spannpratzen auf die kleine CNC gespannt, ausgerichtet und etwas Material weggefräst:



    Das linke ist original; das rechte modifiziert:



    Nun ist es ein wenig leichter und die Optik gefällt mir wesentlich besser
    \/



    Dann fräste ich noch die motorseitige Getriebeplatte.




    von vorne:
    ...zusammen mit den beiden Kugellagern, Linksgewinde-Bohrer; -Schneideisen und M2 x 5 Schraube mit Unterlegscheibe:

    Das Motorritzel habe ich spaßeshalber mal eingelegt.

    ...und von hinten:




    Beim fräsen dieses Teiles ist mir ein "Lapsus" passiert; ich werde es nochmal fräsen.

    Ich hatte, um die kleinen Aussparungen zu fertigen nicht den richtigen Fräser.
    Die vier Bohrungen im Foto unten sind 1mm im Durchmesser:


    Die Aussparungen habe ich mit dem linken Fräser gefräst:

    Ein Fräser des rechten Typs (Einschneider) wäre besser gewesen; den hatte ich aber nicht mit 1mm Durchmesser da (ist bestellt).

    Der linke Fräser konnte die Späne nicht richtig abführen.
    Der Kunststoff erwärmte sich und verband sich nach dem fräsen wieder mit der Platte

    Der rechte Ausschnitt ist ja noch passabel; der linke nicht mehr tragbar.

    Habe ich geahnt; wollte aber unbedingt die Platte mal als "Muster" fräsen.
    Der Einschneider, mit welchem ich die Kreistasche für die Zahnräder ausfräste ist, nach ca. 65m Messingbearbeitung (Spannpratzen) auch nicht mehr der schärfste; sie Kreistaschenboden und Grat am Messingzahnrad).



    So, es gäbe noch viel zu schreiben; möchte aber hier erst mal schließen.

    Wie denkt Ihr darüber?

    Der größte Vorteil einer solchen Konstruktion ist, wie bereits erwähnt, daß die Beinposition auch bei ausgeschaltetem Motor erhalten bleibt, weil die Gewindespindel selbsthemmend ist.

    liebe Grüße,

    Klingon77
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  2. #2
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    Hi,

    ich steh wahrscheinlich grad aufm Schlauch aber erklär noch mal wie du aus der Linearbewegung der beiden Schlitten/Messing-Schieber wieder ne Drehbewegung des jeweiligen Gelenkes machen willst.

    (Ich bin immer wieder erstaunt wie gut du konstruierst. Ich würde zwar von mir behaupten auch nicht schlecht in Mechanik zu sein aber bei so was bleibt mir schon die Spucke weg. Respekt!)

    Gruß

    P.S.: Wenn das gute Stück funzt kannste ja als nächsten Schritt mal ein ganzes Bein bauen. Es währ bestimmt interessant ein 4 DOF Bein mit aktiver Auflagefläche und verbesserter Bodenerkennung zu bauen. Matt Denton´s B.F. Hexabot ist z.B. auch so was in der Richtung.
    Kollaps einer Windturbine
    (oder: Bremsen ist für Anfänger )

  3. #3
    Erfahrener Benutzer Robotik Einstein Avatar von Klingon77
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    hi Murdoc_mm,

    mal Danke für die Blumen; ich habe mir da schon einige Gedanken gemacht.



    weiter oben schrieb ich:
    Vermutlich habe ich mich da etwas "verzwickt" ausgedrückt.
    --------------------------------------------------------------------------------------

    Die beiden Messing-Schieber bewegen sich durch die rechts- und linksläufige Gewindespindel (M3) jeweils entgegengesetzt.
    In die beiden kleinen Bohrungen wird eine Stahllitze (Edelstahl 1,2mm Durchmesser) eingeführt und mit der M2 Schraube (und einer Aderendhülse) geklemmt.

    Über diese beiden Litzen (linke und rechte Seite) soll mit Hilfe zweier Umlenkrollen auf der Gelenkachse, auf der die Litze geklemmt wird eine Drehbewegung ausgeführt werden.
    (noch nicht gezeichnet)

    Was mir noch etwas "Bauchweh" macht ist der Ausgleich der "Überbestimmung" der Litzen am Getriebe. Da muß ich noch irgend eine Dämpfung entwerfen.

    Die Umlenkrollen sollen einen Wirkdurchmesser von 28,8mm haben.
    Dann wird die Litze beim austreten aus den Schiebern nicht geknickt.

    Geplant ist ein Bewegungsbereich von +- 60 Grad des jeweiligen Gelenks.
    Das ist zwar nicht so viel wie bei den Servos; sollte aber für ein Hexa-Bein ausreichen.
    --------------------------------------------------------------------------------------

    Die Litze läuft von vom oberen Messingschieber über die Umlenkrolle der Drehachse (wo sie dann geklemmt wird) zum unteren Messingschieber.

    (Im Anhang eine kleine Grafik dazu)

    Dadurch möchte ich folgendes gewährleisten:
    1) die Litze wird nur auf Zuge belastet
    2) durch die Umlenkrollen erhalte ich (im Gegensatz zu einem Pleuel) einen gleichbleibenden Drehwinkel über den gesamten Verfahrweg.

    Lediglich die Überbestimmung, welche durch die Verwendung zweier parallel laufender Litzen aufkommt muß ich durch ein "Dämpfungsglied" (z.B: Federndes Element) kompensieren.


    Wenn das Getriebe fertig ist, mache ich mir Gedanken um die Anbindung an das Drehgelenk.




    Ein Bein möchte ich schon gerne bauen.
    Heute habe ich schon mal 3 der Motoren bei Conrad geordert.
    Meinen Berechnungen nach ist das Getriebe aber eine "gute Ecke" langsamer als ein Servo.

    Aber wer sagt denn, daß ein Hexa immer rennen muß...

    Prinzipiell finde ich als Aufstellfläche für ein Bein einen kardanisch aufgehängten Teller recht gut.
    Den kann man dann von unten noch mit parkettschonenden Mittlen (z.B: Moosgummi) bekleben.

    Die Kugellösung, wie bei dem Hexa deines Link´s ist natürlich elegant!
    Da muß ich mal drüber nachdenken.

    Über eine Bodenerkennung habe ich schon mal nachgedacht.
    z.B: ein im Bein integriertes Element, welches sich verformt. Auf dieses kann man einen Dehnungsmeßstreifen aufkleben.

    Da bin ich aber wirklich nicht der Fachmann und ich muß erst mal hier nachfragen, wenn es soweit ist / kommt.

    Erst mal eure Meinung zu dem von mir skizzierten Prinzip hören, das Teil bauen (ist gar nicht so einfach, weil recht filigran und genau).
    Dann testen und weiter entscheiden.



    Was mir an den Micromagic-Systems (und anderen) nicht gefällt ist das fehlende Gegenlager für die Servos.

    Auf der einen Seite werben sie mit der Kraft der Servos und dann solch eine Konstruktion...

    Da bin ich wirklich froh, daß ich Hobby-Maschinenbauer bin \/

    liebe Grüße und Erfolg mit Deinem Mono Wheel wünscht,

    Klingon77
    Miniaturansichten angehängter Grafiken Miniaturansichten angehängter Grafiken grafik1_104.jpg  
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  4. #4
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    Hi,

    auch von meiner Seite zuerst mal ein lautes "Hut ab"!

    Eine Frage hätte ich allerdings: wie gibst du dem Motor die Position vor, in der er das Bein schlussendlich bringen soll? Den Motor kann man ja schließlich nur ein- und aussschalten, oder sehe ich das falsch?


    Viel Erfolg bei deinem Projekt wünscht
    ikarus_177

  5. #5
    Erfahrener Benutzer Robotik Einstein Avatar von squelver
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    Eben erst gesehen, also ich bin begeistert, was du mit deiner Fräse so gezaubert bekommst

    Deine Idee find ich garnicht so verkehrt, bin auf deine Anwendung bzw. den Betrieb gespannt \/
    * Da geht noch was *

  6. #6
    Moderator Robotik Einstein Avatar von HannoHupmann
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    Hallo Klingon77 wie du dir vermutlich denken kannst komm ich nicht umhin zu diesem Thread was zu schreiben und hab natürlich auch gleich mal einen Sack voll Kritikpunkte. Dass ich jedesmal neidisch bin auf deine Fräsarbeiten brauch ich glaub ich nicht mehr zu erwähnen.

    Aber kommen wir nach der Bewunderung zum Wesentlichen:

    - hast du mal überlegt "Speichen" in die Zahnräder zu fräsen? Würde sicher auch nicht schlecht aussehen und von der Stabilität her müssten 6-8 Stück reichen. Damit lassen sich noch größere Flächen abnehmen.

    - Eigentlich ist der Ruhe-Strom bei Servos gar nicht so das Problem. Zuminderst hab ich keines bei meinen Robotern.

    - Matt Denton braucht deswegen keine Gegenlager, da seine Servos so gut sind, dass die innen doppelt Kugelgelagert und Getriebe und die Hauptachse aus Metall sind. Das ganze ist dann sehr verwindungssteif und auf den Videos sieht man deutlich, dass es kaum Spiel in den Gelenken gibt.

    -Vielleicht könnte man in der Schulter und Hüfte ein Kardangelenk vorsehen. Die Motoren für vorwärts /rückwärts und hoch runter dann in den Körpger und die Motoren für den Fuss in die Oberschenkel.

    Bei der sauberen Verarbeitung und dem Getriebe wird der zukünftige Hexa auf jedenfall optisch einiges her machen.

  7. #7
    Hi

    Ich kenn jetzt die genaue Anwendung nicht, also wie dein Getriebe genau verbaut wird. Aber kann man den gleichen Effekt nicht mit einem selbsthemmenden Schneckengetriebe erzielen???

    Klär mich auf, falls ich da auf dem Schlauch stehe....

  8. #8
    Erfahrener Benutzer Robotik Einstein
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    Noc hweis ich nicht wie's Funktinoieren soll, ich warte einfach mal das Endergebnis ab

  9. #9
    Erfahrener Benutzer Robotik Einstein Avatar von Klingon77
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    hi,

    Zitat Zitat von ikarus_177
    ...
    Eine Frage hätte ich allerdings: wie gibst du dem Motor die Position vor, in der er das Bein schlussendlich bringen soll? Den Motor kann man ja schließlich nur ein- und aussschalten, oder sehe ich das falsch?
    ...
    Ich dachte daran, ein Poti an die Drehachse/Gelenkachse anzubringen (siehe Anhang im letzten Post; ist aber nicht eingezeichnet).
    Das sollte sich doch relativ einfach über AD-Wandler auslesen lassen.
    Über einen geplanten Drehbereich von 120 Grad mit 256 Positionswerten ergibt sich ein möglicher Stellwinkel von ca. 0,5 Grad. Das sollte, denke ich für den "Hobby-Hexa" genügen.

    PWM wäre ebenfalls möglich.

    Liege ich falsch? Ich habe ja schließlich noch keinen funktionierenden gebaut.




    Zitat Zitat von copious
    Eben erst gesehen, also ich bin begeistert, was du mit deiner Fräse so gezaubert bekommst

    Deine Idee find ich garnicht so verkehrt, bin auf deine Anwendung bzw. den Betrieb gespannt \/
    Nun ja, bis dato steht es ja erst im CAD. Bauen muß ich es noch; ich hoffe, daß ich es hinbekomme
    Es ist halt ziemlich filigran und verschiedene Teile müssten auch recht genau aufeinander angepasst werden.

    Da ich, bezüglich des Makrolon´s die Verbindungen kleben möchte bin ich selber mal gespannt, ob ich das auch so hinbekomme wie es geplant wurde.

    Dann sehen wir weiter; bezüglich einer möglichen Anwendung.

    Einen Schritt nach dem anderen.
    Leider habe ich auch nicht mehr so viel Zeit, wie noch vor einigen Monaten.





    Zitat Zitat von HannoHupmann
    ...
    ...komm ich nicht umhin zu diesem Thread was zu schreiben und hab natürlich auch gleich mal einen Sack voll Kritikpunkte.
    ...
    Nur raus damit; deshalb schreibe ich ja hier \/


    Zitat Zitat von HannoHupmann
    - hast du mal überlegt "Speichen" in die Zahnräder zu fräsen? Würde sicher auch nicht schlecht aussehen und von der Stabilität her müssten 6-8 Stück reichen. Damit lassen sich noch größere Flächen abnehmen.
    Das Foto zeigt meinen ersten Entwurf:


    Wie das Bild zeigt, hast Du vollkommen Recht.
    Nur: Die Speichen haben mir nicht so gut gefallen; ist wohl Geschmackssache.
    Ich habe es dann bei den Ausschnitten belassen.



    Zitat Zitat von HannoHupmann
    - Eigentlich ist der Ruhe-Strom bei Servos gar nicht so das Problem. Zuminderst hab ich keines bei meinen Robotern.
    Wie hoch ist denn der Ruhestrom des Servos im Knie im Verhältnis zum laufenden Hexa, wenn er die gesamte Last tragen muß?

    Da dürfte es doch (mit ausnahme der Reibung im Servo, welche hemmend wirkt) keinen Abzug der Energiezufuhr geben.
    Ansonsten geht der Robby doch sprichwörtlich in die Knie.
    Wenn ich falsch liege klärt mich bitte auf. Ich bin ja wirkich nicht der Servo-Spezialist.



    Zitat Zitat von HannoHupmann
    - Matt Denton braucht deswegen keine Gegenlager, da seine Servos so gut sind, dass die innen doppelt Kugelgelagert und Getriebe und die Hauptachse aus Metall sind. Das ganze ist dann sehr verwindungssteif und auf den Videos sieht man deutlich, dass es kaum Spiel in den Gelenken gibt.
    OK, das ist ein Argument zugunsten dieser Konstruktion. Das habe ich nicht bedacht. Mein Fehler
    Ein zweischenklig verstrebtes Bein wäre sicherlich nochmal steifer; muß aber im Hobbybereich nicht unbedingt sein.

    Ich möchte auch nicht in Konkurenz treten; mir ging es lediglich darum einer "Spinnerei; fixen Gedanken" nachzugeben.

    Die geplante Version ist ja auch um einiges aufwändiger / umständlicher als ein Servo.


    Zitat Zitat von HannoHupmann
    -Vielleicht könnte man in der Schulter und Hüfte ein Kardangelenk vorsehen. Die Motoren für vorwärts /rückwärts und hoch runter dann in den Körpger und die Motoren für den Fuss in die Oberschenkel.
    Einige Zeit dachte ich daran alle Motoren in den Körper zu legen und per Seilzüge an die Extremität zu gehen.
    Das verwarf ich aber wieder, da es den Körper nur schwerer macht.
    Das zusätzliche Gewicht muß dann auch noch mit gehoben werden.

    Für die dynamik wäre es allerdings besser, "leichte Beine" zu haben.


    Zitat Zitat von HannoHupmann
    Bei der sauberen Verarbeitung und dem Getriebe wird der zukünftige Hexa auf jedenfall optisch einiges her machen.
    Erst mal ein Getriebe funktionsfähig hinbekommen...



    Zitat Zitat von MacGeforce
    ....
    kann man den gleichen Effekt nicht mit einem selbsthemmenden Schneckengetriebe erzielen???
    ...
    Das ist vollkommen richtig. Schneckengetriebe sind (bis zu einer bestimmten Steigung der Schnecke) selbsthemmend.

    Ich habe auch schon mal eines gebaut:



    Bei den Schneckengetrieben ist es nur so, daß jeweils nur ein oder zwei Zähne im Eingriff stehen, welche dann die Last tragen müssen.

    Bei dem von mir geplanten Getriebe ist die Last an den Zahnrädern recht gering.
    Die Belastung liegt vielmehr auf der Gewindehülse (M3).
    Diese möchte ich 8mm lang machen.
    Ich erhalte also viele Gewindegänge, welche "gleichmäßig" die Last aufnehmen können.

    Soweit meine Überlegung; ich hoffe, das es so auch Sinn macht.


    Zitat Zitat von BlackDevil
    Noch weis ich nicht wie's funktinoieren soll, ich warte einfach mal das Endergebnis ab
    Ist ganz schnell erklärt (manchmal bin ich da etwas "umständlich")

    * Die Drehbewegung des Motors wird über die Zahnräder auf die Messing-Gewindespindeln übertragen.
    * Diese sorgen dafür, daß die beiden Messingschieber nach links und rechts verfahren.
    * An die Messingschieber kommt ein Stahlseil
    * Dieses läuft über eine Rolle zum Gelenk und bewegt dieses.

    Prinzipiell also kein Problem.
    Dreimal um die Ecke und schon ist man da... [-o<


    Ich hoffe, daß ich alle Fragen beantworten konnte.

    liebe Grüße,

    Klingon77
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  10. #10
    Erfahrener Benutzer Robotik Einstein
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    Also Quasi wie zwei Exzenter die Phasenverschoben sind - bzw zwei Phasenverschobene Achsen (180° wenn mich nicht alles täusch)

    Damit Läuft der Oberschenkel nach Vorne wärend der Unterschenkel nach Hinten läuft, dann Läuft der Unterschenkel nach Vorne und der Oberschenkel nach hinten

    Wow O.o Da muss man drauf kommen :-D das is jetz zu spät (siehe Rechtschreibung ^^)

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