Motoren für Roboterarm, wie berechnet man die nötige Kraft

Hallo liebes Forum,

in meinem Kopf geistern Ideen für einen Roboterarm.
Die erste Frage die sich mir stellt ist, wie berechne ich die nötige Kraft die ein Motor aufbringen muss um den ganzen Arm zu bewegen, also der Motor der im "Schultergelenk" sitzt, also auf der Grundplatte befestigt ist.
Ich meine dabei nicht den der den Oberarm dreht, sondern den der den Arm schwenkt.
Obwohl die Berechnung des drehenden Motors sicher auch interessant ist.
Mir geht es darum die notwenige Kraft auch im ungünstigsten Fall zur Verfügung zu haben, also auch wenn der Arm von der Decke hängen würde (mal angenommen das).

Ich habe mal gegoogelt aber immer nur Berechnungen für die Kräfte gefunden, die bei einem Hebel auftreten wo es einen Drehpunkt gibt, also so wie bei einer Wippe.
Das gibt es in diesem Fall ja nicht.

Zum einen spielt bei diesen Berechnungen ja die mögliche Last die gehoben werden soll/ das Werkzeug mit dem etwas getan werden soll, das Gewicht des Armes selber sowie die maximale Länge des Armes eine Rolle.

Wie geht man an so eine Berechnung heran?

ich danke euch für eure Mühe!

Crypi

Dafür fängst du am besten ganz vorne zu rechnen an und arbeitest dich bis zur Schulter durch.
Nehmen wir 3 Gelenke an, Handgelenk, Ellbogengelenk, Schultergelenk. Weiters nehmen wir an, dass alle Gelenke voll durchgestreckt werden können. Ob Kopfüber oder Normal montiert wird, bleibt dabei egal. Ich nehme an, dass die Hand 30cm lang ist, der Unterarm 30cm lang ist und der Oberarm 30cm lang ist. Weiters nehmen wir an, dass wir 100g heben wollen.

Fangen wir mit der Hand an.
Der ganze Arm ist voll durchgestreckt. Vorne, auf der Handspitze liegen deine 100g. Die Erzeugen dank Gravitation ca. 1N - multipliziert mit deiner Hebellänge 30cm ergibt das 0,3Nm.
Nun der Ellenbogen.
Gleiche Ausgangslage. Alles gestreckt. Der Ellenbogen muss 100g mit einem Hebel von 60cm bewegen. Also benötigt der schon 0,6Nm. Natürlich fehlt die Masse der Hand selbst und des Antriebs der Hand. Hier musst du den Masseschwerpunkt deiner Konstruktion bestimmen und kannst die dafür nötige Kraft ebenfalls berechnen. Die beiden Werte sind dann zu addieren.
Nun zur Schulter - die benötigt die größte Kraft. 100g mit einem Hebel von 90cm ergeben 0,9Nm. Dazu eben noch die Masse der gesamten Armkonstruktion. Auch hier gilt wieder, Masseschwerpunkt bestimmen, Kraft berechnen und wieder Addieren.

Natürlich ist nun die Masseschwerpunktbestimmung nicht ganz einfach wenn man noch keine genaue Vorstellung hat wie Antriebe aussehen, wo diese positioniert sind, die Materialien des Arms, etc.
Da muss man dann eventuell einfach Annahmen treffen und etwas Reserven vorsehen oder schon vorab sehr genau Konstruieren.

lg
Alex

Guten Morgen,


vielen Dank für die ausführliche Erklärung!!

Dann weiß ich jetzt wie ich beginnen kann!

Crypi

Guten Morgen!

Danke @AlexAtRobo, genau was ich gesucht habe ^^
Das Thema ist jetzt zwar schon zehn Jahre alt aber hat das denn auch funktioniert oder gab es irgendwo ne Schwierigkeit? @Crypi
Hast du vielleicht ein paar Fotos von deinem (damaligen) Roboarm?

Liebe Grüße,
Marvin

Edit: Zudem wäre es vielleicht noch interessant zu wissen welche Gasfeder(n) am besten zur Schulter passt, wenn man den Servo entlasten möchte ^-^

Ich bin mittlerweile bei der Schulter angenommen von meinem 490mm langen Arm, der am Ende rund 5kg heben sollte.
Für die Schulter benötige ich am Ende 80Nm, jedoch hält die beste China Getriebebox ein Drehmoment von nur 30Nm aus (für Nema 23).
Gerne möchte ich bei Nema 23 bleiben da dies die größte Art von burshless DC Motoren zu seien scheint und die Gearboxen über Nema 23 Größen schlicht weg zu kostspielig sind.

Hierzu kann ich das Schultergetriebe doch sicherlich mit Gasfedern entlasten.
Ist das eine gute Idee? Oder wird mir das Planetengetriebe dennoch zerbersten? Falls ja; was ist denn die Schwachstelle bei einem solchen Planetengetriebe 20:1? Mit dem Wechsel der Lager beispielsweise müsste das Teil doch wiederum auch mehr aushalten.

Liebe Grüße,
Marvin

Die Schwachstellen bei Getrieben sind - pauschal geantwortet - immer zuerst die Zahnräder. Die Zähne brechen weg, werden glatt gebügelt durch ein anderes Zahnrad oder sogar das ganze Zahnrad bricht.
Lager sind eher ein Thema des Verschleißes.