Kletterroboter als Erstlingsprojekt einer Maschineningenieurin

[Getorix]

Hallo zusammen,

ich bin ganz neu hier und stehe ganz am Anfang meiner Planung meines ersten Roboters, also verzeiht mir bitte, wenn ich etwas wirres Zeug von mit gebe und ich euch noch keine genauen Zahlen nennen kann, es steht halt noch alles ganz in der Schwebe und irgendwo möcht ich mal Anfangen. Es wird ein Kletterroboter, der sich mit Heissleim an die Wand klebt und so die Wand hochklettert.

Für das Ganze habe ich genau ein halbes Jahr Zeit, das ist zwar ambitioniert für eine Anfängerin, aber ich kann das auch fast vollzeitmässig machen, schliesslich durfte ich netterweise das Projekt als meine Masterarbeit deklarieren, obwohl ich eigentlich Maschinenbau studierte. Ich freu mich jedenfalls sehr darauf, mein (bisher nur spärlich vorhandenes) Wissen über Mechatronik und Robotik zu erweitern und auch mal etwas von Elektrotechnik mitzubekommen, ehe ich mich dann Ingenieur nennen darf.


Einen Prototypen zum Testen, ob das Prinzip funktioniert gibt es bereits: http://www.birl.ethz.ch/Robots/index (die beiden HMA Climber)

Bei meinem Roboter geht es nun darum, das ganze Prinzip in einen autonom(eren) Roboter zu packen.
d.h.
- keine Kabel nach aussen: z.B. Befehlserhalt über Bluethoothverbindung, sicher einen Akku (--> unbedingt bessere Energieeffizienz nötig),
- mehr Schritte (die beiden Beispiele machen erst 3-4 Schritte), was mehr Sensorik benötigt,
- Möglichkeit Nutzlast mitzuführen (--> stärkere Aktuatoren)
- Falls die Zeit bleibt, zusätzliche "Intelligenz": z.B. "Zielpunktsuchaufgabe"
- ansprechendes Aussehen
- ....

Und mal Fragen an alle Mitleser:

Ehrlich gesagt, weiss ich bei den Komponenten, nicht so recht, wie anfangen.

- in Sachen Mikrocontroller hab ich mich momentan auf ein Arduino Duemillanove mit ATmega328 festgelegt, weil ich ganz einfach an den herankomme. Mir fehlt aber völlig die Erfahrung um zu beurteilen, ob das für den Zweck eine sinnvolle Wahl ist. Mit welchen Nachteilen muss ich da Rechnen?

- Bei den übrigen Komponenten weiss ich nicht so recht, wo anfangen. Etwas Kopfweh bereiten mit im Moment vor allem zwei Komponenten: Der Kühlkreislauf und der Akku.

Der aus energetischer Sicht kritischer Teil ist vermutlich die Kühlung. Denn die ist momentan alles andere als energieeffizient, was für die Prototypenserie, die vom Netz gespiessen wurden, völlig OK ist, aber für meinen Akkubetrieb muss die effizienz besser werden.

Es geht da darum, den Heissleim erst zu heizen, damit er weich ist und dann zu kühlen (damit er am Roboterfuss kühler ist als an der Wand und somit nicht an der Wand kleben bleibt, sondern mitgezogen wird). Und das ganze an 2 oder 4 verschienenen Stellen.

Momentan übernehmen 8 Widerstände die Arbeit des Heizens und 4 Peltierelemente (je einen pro Kühlstelle), die an 4 passive Kühlstrukturen <klick> angeschlossen sind, die wiederum von Lüftern angeblasen werden müssen, da die Wärme sonst zu langsam an die Umgebung geht, übernehmen die Kühlung.

Ich Suche nun nach einem energeieffizienterem System. das Prinzip einer Kompressionskältemaschine ("Kühlschrankprinzip") scheint mir sehr sinnvoll, aber ich finde leider überhaupt keine so kleinen Kühlkreisläufe. Auch andere Wärmepumpen im Kleinstformat wären ganz nett.
Hat irgend jemand einen Tipp für mich? Oder eine bessere Idee?
Endtemperatur des Leimes muss halt kühle < 30 ° C sein. (Leimmeinge ist noch unbestimmt, so zwischen 5 - 40 g )

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In Sachen Akku weiss ich überhaupt nicht, wo anfangen. Viel Leistung, wenig Gewicht sind gewünscht. Was nimmt man da so Standardmässig und wie steuert man das dann an?

So was hier scheint mit zwar etwas schwer, aber dadurch interessant, dass ich mir da dank integrierter Elektronik keine Gedanken um das Laden und Entladen machen muss. Besonders nett find ich da die Option, dass man da auch Solarpanels einstöppeln kann. Dann könnte sich der Roboter, wenn er irgendwo weit oben für 2-3 Wochen hängt (z.B. um einen Sender dort zu halten) im Laufe der Wochen wieder aufladen wodurch die Reichweite etwas grösser würde (ist natürlich Spielerei, ich weiss selber, dass ein Heissleimprinzip höchst ineffizient ist und man ein riesige Solarfolie hinterher schleppen müsste, dass es auch für kürzere Wartezeiten interessant wäre).
: http://www.swissbatteries.ch/dynapag...e=PowerTankXXL

Die nötige Leistung werde ich in den nächsten Wochen mal mit Messungen an den Prototypen abzuschätzen versuchen. Aber ich wär jetzt schon froh um Hinweise, wo ich Infos zu Akkus finde und natürlich um eure Tipps.

Die übrigen Komponenten werden voraussichtlich diverse Sensoren, und voraussichtlich 4 Motoren (wohl Modellbauservos oder evt. Schrittmotoren), sowie natürlich mind. eine Kommunikationsschnittstelle mit der Umwelt.


Liebe Grüsse
Lina

[Arkon]

Hallo im Forum,

Das ganze Thema ist für Einsteiger sehr ambitioniert. Ich hoffe du hast etwas Vorkenntnisse bezüglich Programmierung und Elektronik denn sonst wird das Zeitfenster echt eng!

Zum Roboter: Die Idee ist ganz interessant. Aber die Umsetzung auf dem Video wirkt ernüchternd bis enttäuschend. Für zwei Schritte benötigt der Bot 90 Sekunden. Das mag zwar für viele Anwendungszwecke ausreichend sein. Aber mir persönlich wäre das zu langsam ^^

Würde ich das Projekt angehen, würde ich mich von außen nach innen arbeiten. Also in der Reihenfolge Füße->Motoren/Aktuatoren->Rumpf->Versorgung->Sensorik->Kommunikation. Du musst bedenken, dass das Gewicht der Füße ausschlaggebend für die Konstruktion des Bewegungsaparates bzw. die Wahl der Motoren/Aktuatoren hat. Solche Abhängigkeiten bestimmen im Prinzip immer den Ablauf einer Konstruktion. Aber so etwas sollte dir als BoE klar sein. Sollte ja nicht deine erste Konstruktion (zumindest theoretischer Art) sein.

[Getorix]

Hallo,

vielen Dank für deine Antwort.

ja, programmiert und einfache mechatronsiche Systeme (ein Projekt mit 2 Mooren und eines mit 1 Servo) gemacht, hab ich bereits.

Völlig an Wissen fehlt es mir in Sachen Elektronik. Ich kann gerade mal Spannungsabfälle über Widerstände, Spulen und Kondensatoren rechnen und damit hat es sich schon . Über die verschiedenen Komponenten weiss ich gar nichts, aber das war auch der Grund, warum ich einen Roboter als Projekt haben wollte. Etwas tun, das man noch nicht kann, ist ja lehrreicher als etwas machen, das man kann.
Und ich hab ja nebenan nicht noch ein Vollzeitjob, sondern höchstens ein paar Vorlesungen, von dem her müsste es klappen, auch wenn ich es zeitlich auch sehr knapp finde und ich am liebsten schon jetzt einen Antrag auf Verlängerung stellen möchte.


Ja, die beiden Prototypen sind extrem langsam, aber man muss da auch anmerken, dass die beiden Projekte keinen richtigen roboter zum Ziel hatten, sondern von Studenten gemacht wurden um zu testen, ob es überhaupt möglich ist, mit dem Prinzip Klettern zu können und wo da dabei überall Probleme auftauchen und das ganze mit möglichst wenig sonstigem Aufwand. Der zweite Roboter hat z.B. ausser den Servoeigenen Potis nicht einen Sensor.

Die meiste Zeit braucht das Heizen und Kühlen des Leims. Deshalb ist das momentan einer meiner Hauptanliegen, da das wirklich sehr suboptimal gelöst ist. Heizen ist nicht so das Problem, da fällt mir viel ein, aber das kühlen *weitergrübel*.


Liebe Grüsse
Lina

[HannoHupmann]

Hallo Lina

Zu Problem Nr. 1 - Akkus: Schau dich mal im Modellbauberei nach Lithium Polymer Akkus um (Kurz LiPos) die gibt es mitlerweile in verschiedenen Spannungs und Leistungsklassen. Wurden früher in Flugmodellen eingesetzt aber aufgrund ihres Gewicht/Leistungsverhältnisses auch im RC-Bereich. Ich verwende für meinen Wall-E einen 11,1V Akku mit 4100mAh. Der hat dann aber auch schon eine Zigelstein Größe und für noch mehr Leistung wird das System einfach hoch skaliert. Die Humanoiden Roboter verwenden in der Regel auch alle LiPos nur eben keine mehr für den Modellbau. Leichter mit mehr Leistung wird sehr teuer werden.

Zu Problem Nr. 2 - Wie wäre es mit einer Wasserkühlung wie sie für PCs eingesetzt wird? Soweit ich weis kühlen die Modder ihre CPUs und Grafikkarten mit Wasser runter. Die Systeme sind klein und effizient. Einfach mal in der Sparte kucken ob etwas dabei ist für dich.
Ich hab keine Ahnung von Heissleim und wie das Funktionsprinzip davon ist. Vielleicht kannst du dazu etwas mehr schreiben. Temperatur bei der das Zeug schmilzt. Funktionsweise allgemein und im speziellen beim geplanten Roboter. Wieviel Gewicht hält der Heissleim?
Muss es Heißleim sein? Geht auch Magnetisch oder Pneumatisch (Vakuum)?

Müssen Kurven gefahren werden oder nur gerade aus? Wo ist der Unterschied zwischen deinem Projekt und dem das die Kollegen schon gebaut haben? Sonst einfach das System mit Akkus kopieren.

Eine Blauzahn Verbindung sehe ich jetzt nicht als notwendig an, wenn man nicht on the fly die Telemetrie auslesen will / muss.

Getorix Nicht entmutigen lassen bei einer Masterarbeit/Diplomarbeit weis man am Anfang (in der Regel) nie etwas über das was man macht. Daher arbeitet man sich ja auch erst mal ein. Außerdem kann man in einem halben Jahr sehr weit kommen. Nach der Planungsphase, die eben lange dauert, geht es auch meistens sehr schnell, da man nur noch Teile bestellt und zusammen baut. Programmieren und Texten braucht dann noch etwas Zeit.

[Arkon]

Wie HannoHupmann schon sagte sind LiPos aus dem Modellbau wahrscheinlich die Akkus mit dem besten Preis/Leistungs/Gewichtsverhältnis. Schau dich mal bei HobbyKing.com um. Die haben einge Artikel im "German Warehous" damit der Versand nicht zu teuer wird. Dort findest du meist auch Abmessungen/Gewicht/Preis.

Eine Wasserkühlung, oder allgemein Flüssigkeitskühlungen, bedürfen meist einer Pumpe oder einem Kompressor so wie einem Wärmetauscher. Das dürfte alles zusammen zu schwer werden. Was vielleicht noch interessant wäre sind die so genannten Heatpipes. Dabei handelt es sich um verschlossene kleine Röhrchen, die mit einem Kühlmittel mit geringem Siedepunkt ( geschätzt 50°C) gefüllt sind. Wenn dieses KM an der heißen Stelle verdampft nimmt es eine nicht unerhebliche Menge an Wärmeenergie auf und transportiert diese schnell ab, da das gasförmige KM eine entsprechend geringere Dichte als das flüssige KM hat und somit von diesem verdrängt wird. Am anderen Ende der Röhrchen befindet sich meist ein Kühlkörper. Durch diesen Effekt muss aber die Einbaulage beachtet werden! Der Kühlkörper muss wenigstens auf gleichem Niveau, besser über der Heizstelle liegen. Vielleicht kannst du damit was anfangen.

[goara]

Zum controller: Arduino ist eine gute Wahl, das ist gerade für einsteiger leicht zu programmieren, und es gibt auch viele Besipielscripte. Welcher ist eigentlich egal, da tut es auch ein kleiner Arduino Uno
Als Antriebe würde ich mal schauen, was es so an starken modellbauservos gibt. Die sind über PWM ganz einfach vom Arduino aus anzusteuern , haben zwar nicht so die hohe Winkelauflösung abert das brauchst du auch nicht.
Für die Heizung könntest du anstatt der Widerstände eine Induktionsheizung dir überlegen, da kommst du mit der energieeffizienz besser bei rum, denke die Heizung wird das Hauptproblem bei autarker energieversorgung sein. Schau mal bei reprap.org im Forum, da geht es eigentlich um 3d Drucker aber da kennen die sich aus mit kunststoff oder kleber heiß machen und es wurden auch shcon experimente mit induktionsheizung gemacht
zu der kühlung, einfach einen kühlkörper mit lüfter. ein kühlschrankartiges system mit kompressor wird zu schwer werden. was eventuell noch eine überlegung wert wäre, ein zentraler kühlkörper in der mitte und eine wasserkühlung für die beine dann brauchst du nur einen kühlkörper und sparst gewicht. ausserdem sieht es schick aus ^^
akku hast du die beste leistung/gewicht bei lipos siehe modellbau..

[Richard]

Ich sehe das Prinzip Klettern mit Kleber eher etwas skeptisch zum versetzen der "Füße" muss der Kleber immer neu verflüssigt werden UND dabei an den Füßen nicht an dem "Untergrund" haften bleiben und das bei jedem Schritt. Wer schon einmal versucht hat mittels Heißkleber etwas auf Glas oder Fliesen zu befestigen weiß das sich auf diesen Flächen sofort ein Kondenswasser Film bildet der eine feste Verbindung entgegenwirkt. Schmutz und Staubpartikel auf dem zu überwindenden Objekt sind für Klebe Verbindungen auch suboptimal. So ein Kletter Roboter mit Unterdruck und Saugfüßen ist hier vor kurzen vorgestellt worden (sollte sich noch Finden lassen), der sich recht gut an einem Fenster hochgehangelt hat. Der Kleber muss auch bei Kühlem Untergrund so lange Heiß gehalten werden bis sich ein Temperatur Gleichgewicht für eine Oberflächen Verbindung eingestellt hat, erst dann darf gekühlt werden, sonst hält keine Verbindung richtig.....ich habe da leider schon alleine beim "Kleben" Zweifel. Lasse mich aber gerne belehren.

Gruß Richard

[ranke]

Die Kühlung könnte man durch Verdunstungskühlung (Kältespray oder CO2 Patrone) machen. Man bräuchte dann für jede Kühlstelle ein kleines Pneumatikventil, das eine kleine Menge Kältemittel dosiert. Das ist zwar etwas dirty (wegen des Kältemittelverbrauchs) aber vermutlich eine ziemlich leichtgewichtige Lösung.

[Getorix]

Hallo zusammen,

wow, ihr seid ja super. Soviele Tipps in so kurzer Ziet, ich bin hell begeistert.

Schau dich mal im Modellbauberei nach Lithium Polymer Akkus um (Kurz LiPos)

Mach ich, auch wenn ich noch immer etwas Respekt vor den Akkus habe. Bei dem Projekt (http://www.formula-hybrid.ethz.ch/fs...serialNumber=1 Hybrid mit 95kW/230 Nm-Elektromotor - bei dem Projekt hab ich allerdings rein mechanisch am Fahrwerk gearbeitet) durften wird sie z.B. nicht verwenden, weil unsere Betreuer die Akkus für zu gefährlich hielten.
Aber das ist auch schon einige Jahre her und ausserdem sitze ich ja nicht zwischen zwei Batterienpacks.

Ich hab keine Ahnung von Heissleim und wie das Funktionsprinzip davon ist. Vielleicht kannst du dazu etwas mehr schreiben. Temperatur bei der das Zeug schmilzt. Funktionsweise allgemein und im speziellen beim geplanten Roboter. Wieviel Gewicht hält der Heissleim?

Ja, klar.

Temperaturen:
Bei Temperaturen unter < 30 - 40 Grad ist das Zeug fest und der Roboter klebt an der Wand,
bei Temperaturen um die 70° - 80° ist der Leim noch quasi "Festkörper" aber schon so aufgeweicht, dass sich die Verbindung trennen lässt und wenn der Leim an der Kontaktfläche zur Wand wärmer ist als an der Kontaktfläche zum Fuss trennt er sich auch meist da.
und bei etwa 120° - 150 ° ist das ganze (dick)flüssig und lässt sich durch Düsen pressen, o.ä.

Mein Kollege hat auch Messungen zum Heizen und Kühlen gemacht (Figure 4 auf S. 9 und Figure 5 auf S. 10)
http://www.birl.ethz.ch/research/pub...swaldM2011.pdf

Festigkeit:
Ist wie bei allen Klebeflächen abhängig von der Form der Klebung und der Klebefläche.

Bei einer Fläche von etwa 30 mm², kam mein Kollege auf 50 N mögliche Scherkraft. Wenn man also in ganz grober Näherung alles geicht in die Wandebene approximiert gibt das bei idealen bedingunen 5 kg/30 mm², effektiv ist natürlich deutlich weniger, aber man darf die Klebeflächen ja auch ruhig grossflächiger bauen.
(Figure 8 auf S. 16)


Und der Vollständigkeit halber hier noch der andere Report:
http://www.birl.ethz.ch/research/pub...NRemoB2011.pdf


[QUOTE
Eine Blauzahn Verbindung sehe ich jetzt nicht als notwendig an, wenn man nicht on the fly die Telemetrie auslesen will / muss. ][/QUOTE]
Ja, vermutlich ist das übertrieben, ich kam nur drauf, weil der erste Roboter das hatte (der zweite dann nicht mehr).
Nachträglich auslesen von Daten reicht natürlich völlig.

Mir stellen sich bei dem Punkt zwei Fragen:
- Wie speichert man Daten? Der Microprozessor bietet ja 32 kB Flashspeicher, reicht das?
- Wie gebe ich dem Roboter Befehle, wie mehr nach links, mehr nach rechts, runterkommen, hochklettern, stehenbleiben. Welche kabellose Schnittstelle würd sich da anbieten?

Was vielleicht noch interessant wäre sind die so genannten Heatpipes. Dabei handelt es sich um verschlossene kleine Röhrchen, die mit einem Kühlmittel mit geringem Siedepunkt ( geschätzt 50°C) gefüllt sind

Sehr interessant und super Tipp . Hab noch nie so richtig realisiert, dass es sowas gibt.

Zum controller: Arduino ist eine gute Wahl, das ist gerade für einsteiger leicht zu programmieren, und es gibt auch viele Besipielscripte. Welcher ist eigentlich egal, da tut es auch ein kleiner Arduino Uno

Gut zu wissen . ja, die Vorgabe von Positionen für einen servo hab ich bereits gestern problemlos auf Anhieb geschafft, was mich schon mal sehr beruhigte.

mal bei reprap.org im Forum, da geht es eigentlich um 3d Drucker aber da kennen die sich aus mit kunststoff oder kleber heiß machen und es wurden auch shcon experimente mit induktionsheizung gemacht

Super Tipp! nun hab ich Stunden da im Wiki und im Forum verbracht und möchte natürlich nach dem Kletteroboter-Projekt und Studium unbedingt einen eigenen Prusa *seuftz*. Sehr cooles Projekt.

Ich sehe das Prinzip Klettern mit Kleber eher etwas skeptisch zum versetzen der "Füße" muss der Kleber immer neu verflüssigt werden UND dabei an den Füßen nicht an dem "Untergrund" haften bleiben und das bei jedem Schritt.

Das ist der eine Teil an dem Projekt, das ich nicht ändern darf. Es muss wirklich Heissleim sein. Andere Prinzipien sind natürlich einfacher und meist auch besser geeignet, gar keine Frage, aber es geht ja genau darum, etwas zu machen, was es noch nicht als ausgereiften Roboter gibt. Das ist halt der Nachteil, wenn man so ein Projekt als Abschlussarbeit macht. Klar sind die Projekte mal in erster Linie da um die Studenten zu beschäftigen und damit sie auch was lernen, aber die Erkenntnisse dienen dann auch wieder der Forschung. Und da möchte man halt auch neue "verrückte" Konzepte erproben, da halt die meisten Konzepte Vor- und Nachteile haben.
Magnete sind z.B. auf Eisenwände viel besser, Saugnäpfe an glatten Oberflächen besser, Klammern sind gut, wenn der Roboter etwas umgeifen kann. Und Heissleim hat halt das Potential, dass der Roboter auch auf groben Grund mit viel Nutzlast rauf klettern kann (jedenfalls solange der Untergrund nicht allzu stark abblättert). Ganz ohne Potential ist das auch nicht, für hohe Nutzlasten, wenn der Zeitbedarf unkritisch, die KletterwandOberfläche rau ist und man nicht fliegen kann, könnten sich durchaus Einsatzmöglichkeiten finden lassen.

Aber es klappt schon, die beiden Vorgänger hielten sich jedenfalls problemlos an der Wand.

Müssen Kurven gefahren werden oder nur gerade aus?

das darf ich wählen. Irgend eine Navigationsmöglichkeit soll es aber geben. Der Prof fände es schön, wenn der Roboter am Ende des Projekts selbstständig sein Ziel (ein Sender oder so) anklettert.Ist aber kein Muss, sondern nur ne Aufgabe für den Fall, dass die Zeit reicht. (woran ich nicht so glaube).

Wo ist der Unterschied zwischen deinem Projekt und dem das die Kollegen schon gebaut haben? Sonst einfach das System mit Akkus kopieren.

Die beiden roboter der Kollegen sind halt noch keine richtig funktionierenden Systeme. Nach maximal 3-4 Schritten geht nicht mehr, weil die Füsse nicht mehr parallel zur Wand stehen. Und ausserdem tragen die beiden Systeme nur ihr Eigengewicht und noch keine Nutzlast.
Aer klar, das wesentliche wird vermutlich kopiert. Nach zwei Projekten muss ich ja wirklich nicht wieder bei Null starten. (auch wenn beim gewählten Art des Klettern das Servodrehmoment sehr kritisch ist). Aber es gibt ja auch 135 "kg" Servos , da werde ich schon den passenden finden. (ich habs noch nicht gerechnet, aber ich tippe auf mindestens so 5 Nm = 50 "kg"). Roboter 2 hat nämlich 2 Nm Servos und ist schon ohne Zusatzgewicht durch Akku nahe an der Leistungsgrenze der Servos. Oder ich versuche halt eine kleinere Konstruktion.


Liebe Grüsse und vielen Dank für die Hilfe
Lina

[PICture]

Hallo!

Mir stellen sich bei dem Punkt zwei Fragen:
- Wie speichert man Daten? Der Microprozessor bietet ja 32 kB Flashspeicher, reicht das?

Sich im laufe eines Programms ändernde Daten speichert man in RAM ("random access memory") und das feste Programm im flash. Ob es reicht, könnte man man erst abschätzen, wenn der Microcontrollertyp, die Programmsprache und Aufgaben des Programms bekannt sind.

- Wie gebe ich dem Roboter Befehle, wie mehr nach links, mehr nach rechts, runterkommen, hochklettern, stehenbleiben. Welche kabellose Schnittstelle würd sich da anbieten?

Entsprechende Befehle schreibt man im Programm des steuernden den Roboter Microcontrollers. Für Auswahl optimaler kabelloser Schnitstelle sind bestimmte Daten nötig (z.B. Reichweite).