Hexapod-Bein mit Schrittmotor - Überlegungen

**MeckPommER** · 19.12.2008, 11:47

Hallo alle miteinander,

ich stecke grade tief in Überlegungen bezüglich Hexapodbeinen und würde gerne die eine oder andere Meinung hören.

Derzeit verwende ich Servos für meine Hexapodbeine. Es sind billige, die leider auch nicht grade lange halten -> MG995. Von diesen sind mir grade mal wieder 2 Stück in die ewigen Jagdgründe entfleucht. Anstatt mir nun dauernd neue zu kaufen oder viel Geld in bessere zu investieren, die vielleicht auch nicht sehr lange halten, kam bei mir der Gedanke auf, Beine mit Schrittmotoren zu realisieren.

(Das dies nicht grade einfach ist, ist mir schon klar, aber da mein Projekt Marvin eh auf viele Jahre angelegt ist, kommt es mir auf die Dauerhaftigkeit einer Lösung an. 2-3 Schrittmotorsteuerungen * 6 Beine ... dazu die ganze Mechanik ... das wird gewichtsmäßig nicht wenig und zeitmäßig schon etwas dauern)

Schrittmotore müßten doch, da sie weniger Verschleißteile enthalten (Bürsten) wesentlich länger halten als Servomotore, oder?
Natürlich gibts auch schon Brushless-Servos, aber wer kann die schon bezahlen, wenn einer über 120 Euro kostet *hüstel*

Ich habe mir - um mich nun ersteinmal mit den Schrittmotoren zu befassen - einen billigen von pollin geordert (BestNr. 310 335) um mich mit der Materie vertraut zu machen. Hat zufällig jemand ne Ahnung, wieviele Steps pro Sekunde dieser Schrittmotor machen kann?

Was die Elektronik und die Ansteuerung angeht, sehe ich eigentlich keine unlösbaren Aufgaben auf mich zukommen. Ein kleiner µC und ein Treiber sollten pro Beinmodul ausreichen.

Diese schwachen Stepper brauchen sicherlich eine ordentliche Übersetzung, vielleicht 100:1, aber auf Geschwindigkeit kommt es mir auch nicht wirklich an. Stabilität, Langlebigkeit und Kraft sind für mich ausschlaggebend.

Was ein Getriebe angeht, so kann man da ja auch ordentlich Geld loswerden *schluck*. Die ersten Stufen könnten wohl ruhig aus Kunststoff sein, die letzten Stufen der Übersetzung vor dem Bein müßten aber wohl aus Metall sein, wobei ich bisher leider noch nichts günstigeres an Zahnrädern gefunden habe, als Conrad anbietet.

Über Tipps und Kommentare freut sich

MeckPommER

**GeoBot** · 19.12.2008, 17:41

Ich verfolge die einzelnen Hexabot-Projekte jetzt schon eine ganze Weile.
Was mir dabei auffällt ist das die meisten Bots die Servoachse als Dreh-
achse des Beins mitbenutzen.
Ist das der Grund weshalb deine Servos ihren Geist aufgeben oder
brennen die irgenwie durch?
Wenn es eine Überanspruchung der Mechanik ist, würde ich der Dreh-
achse des Beins mit Wälzlagern und einer Silberstahlwelle aufbauen und
des Drehmoment mit zwei Zahnrädern übertragen. Eins auf der Welle und eins auf dem Servohorn.
Dann liese sich auch der eigentliche Antrieb varieren. Je nach dem was
Grade günstig zu bekommen ist.

**MeckPommER** · 19.12.2008, 18:27

Es ist nicht die Mechanik, die bei den Servos schlapp macht, es ist die Elektronik. Die Leistungsstufen der Billigteile halten nicht viel aus. Ein paar Mal an den Endanschlag - schwupps, das wars. Ich habe den Drehbereich zwar softwaremäßig begrenzt, aber manchmal beim Experimentieren geschieht es halt doch :-/ Eines hats mir auch einfach so geschrottet.

Was mich außerdem stört ist das Zappeln der Servos, man will ja keinen Hexapod haben, der die Pinoccio auf Drogen durch die gegend eiert.

Mir ist schon klar, das der Bot durch die Stepper und die Mechanik um einiges größer und schwerer wird ... Nebeneffekt ist dann aber auch, das ich mehr Platz für Elektronik habe ^^

Deine Idee ist nicht schlecht, aber ich würde schon gerne auf lange Sicht weg von Bürstenmotoren.

**alter Mann** · 19.12.2008, 20:28

Hallo,

als Überlegung würde ich einmal auf die Achse eines Steppers eine Gewindestange pflanzen und den Antrieb über eine darauf laufende Mutter realisieren, so hast Du auch gleich eine untersetzung und kannst Dir das Getriebe (möglicherweise) sparen.
Was die maximale Schrittfrequenz angeht sind die verschiedenen Schrittmotoren unterschiedlich, aber ich habe die Erfahrung gemacht, das sie um so kleiner ist, je größer die bewegte Masse im Motor selbst ist.
Der "Nachteil" an Schrittmotoren ist die Ansteuerung und die genaue Positionierung. Es reicht meistens nicht aus, einfach einen Referenzschalter anzufahren. Wenn man ein relativ genaue Positionierung benötigt, muss man zusätzlich zu einem halbwegs präzisen Referenzschalter auch noch darauf achten, das der Motor sich in einer bestimmten Schrittstellung befindet. (Der LM297 hat einen Ausgang der aktiv wird, wenn die sogenannte Homeposition erreicht ist.)
Zusätzlich kommt noch dazu, das der Motor wenn man ihn zu stark belastet und/oder zu schnell ansteuert, Schritte verlieren kann, was eine zusätzliche Positionserfassung mit Incrementalgebern oder Potentiometern nötig machen kann. (ich selbst stehe momentan vor genau diesem Problem, weiss aber noch nicht so genau, wie ich das lösen soll.)

Trotz dieser "Nachteilen" denke ich, das bei passender Auslegung ab einer bestimmten Größe die Vor- und Nachteile der beiden Antriebsmöglichkeiten (Servo / Schrittmotor) sich die Waage halten.

Noch eine Möglichkeit wäre ein normaler Getriebemotor (mit Bürsten oder Brushlessmotor) mit einem Incrementalgeber mit Referenzmarken und einer Leistungsfähigen Ansteuerung. Je nach dem, an welcher Stelle im Kraftfluss man den Incrementalgeber anbringt, hat man eine präzisere (näher am Motor, dadurch mehr Umdrehungen des Istwertgebers) oder robustere (näher am Abtrieb, dadurch weniger aber breitere positionsmarken) Positionierung.
Vorteil hierbei ist, das ein Bürstenmotor mit angeflanschtem Getriebe bei gleicher Baugrösse einiges mehr an Kraft hat als ein Schrittmotor.
Ausserdem kann man mit dem selben Aufwand an Leistungshalbleitern doppelt so viele Motoren ansteuern.

Florian

**Willa** · 19.12.2008, 20:29

Hallo Meckpommer!Schrittmotore sollten in der Theorie ja ewig halten. Fliesst zu viel Strom so verlieren die einfach Schritte anstatt durchzubrennen. Und bis die Lager der Stepper ausgeschlagen sind geht so einiges an Zeit vorüber. Aber die Dinger sing echt sauschwer.... Und dann noch ein Getriebe und ein Drehwinkelaufnehmer... da kommt so einiges zusammen. Ich würde an deiner Stelle nochmal über bessere Servos nachdenken. Ich weiß, während des bestimmungsgemäßen Modellbaubetriebs sind die Belastungen der Servos deutlich geringer als in nem Hexapod. Aber mir ist in ca. 15 Jahren Modellfliegerei noch kein Servo kaputtgegangen (außer bei Direkteinschlag in gefrorenen Boden, da geht das Getriebe kaputt). Wie lange halten bei dir Servos? Wie teuer sind deine Servos? Towerpro ist der Hersteller, oder? Nicht grad ein Hersteller der für Qualität bekannt ist - eher für sehr günstige Preise. Billig Servos sind dafür bekannt extrem hohe Ströme bei Blockierung zu ziehen. Bessere Servos verhalten sich da sehr viel netter. Wie wärs wenn du mal testweise ein oder zwei Hitec HS-985MG verbaust? Ich habe die Vorgängermodelle in meinem großen Hubi (da sind die Kräfte an der Taumelscheibe schon ziemlich ordentlich). Und ich vertraue diesen Servos, da hängt extrem viel Geld dran.... Trotzdem sind die noch relativ günstig. Ich denke mal bei dir gibt es auch unterschiedlich große Anforderungen an die Servos, je nachdem wo im Bein die sich befinden, oder? Vielleicht reicht es nur die stärker beanspruchten durch gute Servos zu ersetzen. Ich denke dass du bei Schrittmotoren + Getriebe + Winkelmesser eher eine höhrere Ausfallquote im Gesamtsystem hast als bei einigermaßen guten Servos......
(... sprach er und schlug mit seinem Tricopter wegen Servoausfall ein... Ne, Scherz :-D)

**GeoBot** · 19.12.2008, 20:56

Deine Idee ist nicht schlecht, aber ich würde schon gerne auf
lange Sicht weg von Bürstenmotoren.

Ich wollte dich nicht auf irgend einen Antrieb "festnageln" oder von
einem abhalten.
Mir ging es nur darum, dass das Drehgelenk des Beins, von der
Drehmomenterzeugung durch eine saubere Schnittstelle getrennt
werden sollte.
Die Aufgabe des Drehgelenk ist alle Kräfte, bis auf das radiale
Drehmoment, aufzunehmen. Dieses gibt es über das Zahnrad weiter.
Der Servo, Schritt-, BL-, Megatourqe,- Motor ist dann, im Rahmen
des vorgesehenen Einbauraumes, beliebig austauschbar.

Mir ist klar das immer Machbarkeit, Kosten und Nutzen abzuwägen sind.

Ich überlege im Moment ob es mir möglich ist, zum Ende des nächsten
Jahres ein einzelnes Prototypengelenk auf Basis eines Proportional-
rehmagneten zu erstellen.
Vorteil : Direktantreib ohne Getriebe, linearer Drehwinkel
Drehmomentverlauf
Nachteil : max. +-55° Arbeitswinkel und es schlürft recht heftig Saft.

Ein paar Mal an den Endanschlag - schwupps, das wars.

Lässt sich in der Endlage nicht ein Unterbrecher einbauen der den Motor
dann elektromechanisch vom Netz nimmt? Ein einfacher Feder-Öffner-
Kontakt sollte doch reichen? Wäre auch bei jeder anderen Antriebsweise
von nutzen.
Ich weis nicht wie ein Schrittmotor reagiert, wenn die Welle feststeht und
trotzdem eine längere Zeit weiter gesteppt wird.

**Klingon77** · 19.12.2008, 23:36

hi MeckPommER,

auch ich gehöre, wie Du sicherlich schon gemerkt hast zu Deiner Fan - Gemeinde \

/

Wie wäre es mit Schneckentrieb?

Der größte Vorteil liegt in der hohen Kraft, welche übertragen / enwickelt werden kann und der Selbsthemmung bei stromlosen Motor.
Ein weiterer Vorteil ist die kompakte Bauweise und die wenig benötigten Bauteile.
Als Motoren können normale Bürsten- oder bürstenlose Motoren eingesetzt werden.

Eine weitere Variante wäre mein kleines Getriebe; Du kennst es ja.
Leider fehlt es mir zur Zeit an finanziellen Mitteln und auch ein wenig an der Zeit um weiter zu bauen.
Mein kleines Projekt wird Deines bezüglich der Laufzeit locker toppen

Was die Zahnräder betrifft:

http://www.modellbauershop.de

Die Qualität scheint mir recht gut zu sein.
Die gedrehten Messingschrauben, welche ich von dort beziehe sind "allererste Sahne".

Kleine Kugellager:
http://stores.ebay.de/Tusneldas-Kuge...QQftidZ2QQtZkm

Mit denen habe ich schon öfter zusammengearbeitet.
Hat immer gut funktioniert.
Bei normalen Radialkugellagern immer die Variante "ZZ" oder "2Z" kaufen.
Die besitzen eine beidseitige Abdeckscheibe aus Stahl, welche vor dem gröbsten Schmutz schützt.

liebe Grüße,

Klingon77

**goara** · 20.12.2008, 22:24

@ MeckPommer

Finde ich sehr gut die Idee.. bin auch schon seit einiger Zeit dabei mir gedanken über einen Hexa zu machen, (wenn ich mal meine aktuellen Projekte fertig habe) , und immer wieder dasselbe mit 3 Serovs für Bein ist mittlerwiele langweilig. was ich mir überlegt hatte ist die Untersetztung mit Keilriemen zu machen, bzw zumindest teilweise. dann kan man nämlich die Motoren weiter innen anbringen.
@ Klingon: Schnecken sind zwar praktisch weil sie selbsthemmend sind und man im stillstand keinen Strom benötigt, allerdings ist das Selbsthemmende auch wieder schlecht, so von bionischer Seite gesehen.

**HannoHupmann** · 20.12.2008, 22:54

Ich kann mich Willa nur anschliessen, Servo ist nicht gleich Servo, du weist ja ich hab selber auch nen Hexa und hier einige Servos verschiedener Marken hier rumliegen. Gerade geh ich dazu über alle Servos die ich verwende durch HiTec Servos zu ersetzten, von denen ist mir bisher noch keiner kaputt gegangen, bei allen anderen Marken hatte ich schon Ausfälle.

Die Überlegungen die Antriebe und Achsen zu entkoppeln ist siche rauch nicht verkehrt. Aber es würde vermutlich sogar mehr helfen deinen Hexa wieder leichter zu machen, dann würde man gleich Massenträgheitseffekte erschlagen.

Ich glaub aber nicht, dass die Lösung mit den Schrittmotoren besser ist, aber ich kann mal die Jungs vom DLR Fragen wie die es bei diesem Roboter gelöst haben:

Bild hier

Sehr feines Teil übrigens was die Sensoren angeht (auch wenn nicht besonders hübsch), Kraft und Moment Sensoren in jedem Bein, Rückgabe aller Strom und Spannungswerte und natürlich alle Winkel. Gerade bringen sie ihm addaptives Laufen bei, sprich er soll sich autonom an den Untergrund anpassen.