Motorgröße für einen parallelen Seilroboter

[Geistesblitz]

Für die Auslegung der Motoren und Getriebe braucht man auf jeden Fall die Angaben, wie schnell sich die Plattform bewegen soll, wie schnell sie sich beschleunigen soll und wie schwer sie maximal ist. Der schwierigste Lastfall, wen ich mir vorstellen kann, ist, wenn die Plattform sehr weit oben ist, sodas die Sehnen nahe an die Horizontallage kommen. Die müssten dann ganz schön unter Spannung gestellt werden. Daher würde ich eine Maximalhöhe vorsehen, damit die Antriebe in einem angenehmen Bereich arbeiten können. Wieviele Antriebe soll es denn geben? Wenn die Plattform nachher 6 Freiheitsgrade haben soll, brauchst du auch 6 Antriebe. Ob sich das aber überhaupt realisieren lässt, weiß ich nicht, bin mir da gerade ein wenig unsicher.
Was willst du eigentlich gegen Pendeln machen? An meiner ehemaligen Uni gabs nen Versuchsaufbau mit einem Kranroboter, da wurde über die Rollen die Seilposition gemessen und über bewegliche Führungen der Seilwinkel. Das ganze System befand sich in einer recht komplexen Regelung, um auch gegen Pendeln, Störungen und Parameterabweichungen (Lastmasse) sicher zu sein. Als Antriebe kamen 3 Linearantriebe und 3 Seilantriebe zum Einsatz.

Bei Seilrollen musst du auch beachten, dass sich der effektive Durchmesser ändern kann, wenn das Seil über mehrere Lagen aufgerollt wird. Dadurch würde dann deine Positioniergenauigkeit leiden. Außerdem brauchst du auch noch einen Mechanismus zum Referenzieren, da Schrittmotoren nur Relativbewegungen ausführen können. Das könnten irgendwelche Anschläge an den Seilen sein, die Endschalter betätigen, oder irgendwas mit Gabellichtschranken o.ä., aber sowas wirst du definitiv brauchen.

[frist]

Hallo,
hier mal zwei Links zu Anregung:

http://www.ipa.fraunhofer.de/Paralle...ter.597.0.html
http://www.youtube.com/watch?v=RCa8uDFzbsw

Grüße
Flo

[FirefoxMetzger]

Das Problem ist, das der Roboter keine spezifische Aufgabe erfüllen soll von der man direkt eine maximale Beschleunigung oder Gewichtskräfte ableiten kann. Es ist primär eine Konzeptstudie wie gut oder schlecht man einen solchen Roboter mit einfachen Mitteln kontrollieren kann, wie genau er ist und so weiter.
Auf der anderen Seite gibt es bestimmt dutzende Dinge die ich mit dem Roboter probieren will. Beispiele sind das Balancieren eines Stabes in der Ebene, das Manipulieren / Bauen mit Legosteinen oder das Zeichnen von Grafiken.

Geplant sind 4 Antriebe zur Manipulation in der Ebene. Rotation werde ich zu Beginn weglassen, weil ich denke, dass ich erst einmal in der Ebene zurechtkommen muss bevor ich mich höheren Dimensionen zuwende.
Hierbei soll die Plattform ein Gesamtgewicht von (mittlerweile) 3 kg nicht überschreiten. Wobei ich die Plattform mit Gewichten ausstatten werde, um immer eine Kraft nach unten zu haben.
Die maximale Beschleunigung würde ich jetzt einfach mal mit 15 - 30 cm/s^2 ansetzen. Allerdings nur deshalb, weil ich noch keine Vorstellung darüber habe, welche Beschleunigung ich brauche um so etwas wie Balance-Aufgaben durchzuführen.

Für mich viel wichtiger als die Frage nach der Leistung des Motors ist (zunächst) die Frage nach dem Typ des Motors. Ein Schrittmotor ist in dieser Situation angebracht? Oder sollte man lieber irgendeine andere Art von Motor verwenden?
Auch bei den Getrieben gibt es so viele Arten, das ich immer noch dabei bin, mir einen Überblick zu verschaffen. Ich habe schon Steward-Platformen mit Schneckengetriebe gesehen und bei Portalfräsen scheint ein solches Getriebe auch Usus zu sein. Allerdings bezweifle ich das es auch bei einem Seilroboter das sinnvollste Getriebe ist.
Kennt jemand vielleicht eine Übersicht verschiedener Getriebetypen mit Stärken und schwächen der einzelnen Typen?

Was willst du eigentlich gegen Pendeln machen?

Ein wichtiger Punkt, den ich aber erst zur Gänze klären werden kann, sobald ich die ganzen Rahmendaten festgelegt hab. Da ich die Regelung nach Möglichkeit komplett in Software machen will und es eine eher Modulare Aufgabe ist hinter eine Steuerung eine Regelung zu setzen, wollte ich zuerst den Roboter bauen und dann die Regelung.
Schlimmstenfalls muss ich irgendwo nachrüsten, was aber Aufgrund des doch eher einfachen Aufbaus keine Probleme bereiten sollte.

Bei Seilrollen musst du auch beachten, dass sich der effektive Durchmesser ändern kann, wenn das Seil über mehrere Lagen aufgerollt wird. Dadurch würde dann deine Positioniergenauigkeit leiden.

Bedingt. Wenn man weiß wann eine neue Lage angefangen wird, kann man das zurückrechnen, was jedoch Arbeit ist, die man vermeiden kann. Eine einlagige Seiltrommel wäre hier definitiv einfacher, weshalb ich auch eine solche verwenden will.

Außerdem brauchst du auch noch einen Mechanismus zum Referenzieren, da Schrittmotoren nur Relativbewegungen ausführen können.

Ja, dead reckoning ist "ungenau". Grade über lange Zeiträume hinweg ohne Referenz.
Der Mechanismus zum Referenzieren ist auch noch nicht 100 % festgelegt. Optimal wäre ein Laserscanner an der Plattform, aber dann wäre der Sensor teurer als der ganze Roboter. Deshalb war meine Idee eine oder zwei Kameras mit entsprechender Computer Vision Software auszurüsten. Damit ließe sich die absolute Position der Plattform bestimmen und zusammen mit den Relativbewegungen der einzelnen Motoren, sollte eine genaue Positionsbestimmung möglich sein.

Off Topic: Ich glaube ich nutze dieses Projekt um mich mal in die Grundlagen von CAD einzuarbeiten (ist hoffentlich einfacher und genauer als Zeichnungen von Hand). Gibt es ein Programm welches hier besonders Empfehlenswert ist?

[Geistesblitz]

Meinst du Schneckengetriebe oder Spindelantriebe? Ist schon ein ziemlicher Unterschied

Schrittmotoren sind für Open-Loop-Anwendungen ganz gut, wenn man aber dynamisch regeln möchte, geht das mit Servomotoren besser. Dafür sind dann allerdings die Steuerungen teurer und man muss mehr Komponenten aufeinander abstimmen.

Eine Regelung auf Softwareseite kann man gerne nachrüsten, aber trotzdem benötigt es dafür auch Sensoren, die dann auch Veränderungen an der Maschine nötig machen.

Als Seilrolle könntest du vielleicht sowas wie ein Außengewinde mit großem Durchmesser nehmen, wo das Seil sich immer brav in die Gewindegänge reinsortieren kann. Allerdings hast du dann je nach Stellung einen Winkel zwischen Seilrolle und Umlenkrolle, der dann in der Software mit abgebildet werden müsste.

Mit einer Kamera ist grobes Positionieren sicher möglich, aber Feinpositionierung (so im mm-Bereich) wird dann schon schwierig. Da wäre ein direktes Messystem schon besser.

Als freies CAD-Programm geht Sketchup ganz gut, ansonsten soll wohl auch DesignSpark Mechanical ganz gut sein (ist auch näher an professionellen CAD-Programmen dran), allerdings hab ich das noch nicht ausprobiert.

[FirefoxMetzger]

Oh, du hast recht. Ich kenne mich mit Getrieben leider noch kaum aus. Waren für mich bisher Zahnradkonstruktionen die eine Größe in eine Andere umgewandelt haben. Genauer habe ich mich damit bisher nicht beschäftigen müssen. Wird aber grade nachgeholt.

Ein solches Gewinde zu benutzen war auch meine Idee. Die Frage ist aber ob ich ein Gewinde mit entsprechender Ganghöhe finden kann. Den Winkel zwischen der Stange und der Umlenkrolle kann man umgehen, indem man die Gewindestange selbst während des Abrollens bewegt.

Bei der Positionierung per Kamera kommt es denke ich darauf an wie hochauflösend sie ist. Ich weiß aber auch nicht wie genau ich mit einer Seilkinematik werden kann. Schätzen würde ich einige mm Ungenauigkeit.
Aber du hast natürlich Recht. Die letztendliche Genauigkeit richtet sich nach den verwendeten Sensoren. Es ist allerdings nicht leicht die passenden zu finden. Man könnte sich überlegen ob man irgendwie einen Infrarot Sensor an die Umlenkrolle befestigen kann, sodass dieser immer auf die Plattform zeigt. Oder ob man Orte findet, sodass der Arbeitsraum der Plattform mit Ultraschallsensoren abgedeckt werden kann.
Aber das klingt alles sehr gewagt.

Als erstes werde ich mal ein wenig rechnen, damit ich wenigstens mal ein paar Zahlen habe über die man reden kann. So langsam habe ich nämlich eine Vorstellung davon, welche Dimensionen der Roboter haben wird.

P.S.: Die Links sind echt schick. Grade das Video geht in die Richtung des Seilroboters den ich auch bauen will. Danke dir.

[hbquax]

Was genau meinst du mit 2D? Heißt das, das bewegt Teil und alle vier Seile befinden sich in einer Ebene, und es wird sich auch nur in dieser Ebene bewegt?

Mit drei Seilen kannst du ja bereits einen Punkt in der Ebene bewegen, mit vier Seilen ist dann zusätzlich schon Rotation möglich.

Das Problem des Pendelns tritt ja nur auf, wenn deine Konstruktion unterbestimmt ist.

Gruß

Nils

[FirefoxMetzger]

Mit 2D meine ich, dass die Plattform / den Endeffektor nur in der Ebene bewegt wird. Konkret in der x-y-Ebene (wenn die z-Achse in die Höhe zeigt, mit Ursprung auf dem Erdboden).
Die ganze Konstruktion wird allerdings frei schwebend gebaut. Die Plattform liegt also in der Luft. Das führt dazu das man den Raum in dem sich die Plattform bewegt auch in (negative) z-Richtung ausdehnen kann, solange eine Kraft existiert, die die Plattform nach unten drückt (in meinem Fall die aus dem Eigengewicht resultierende Gewichtskraft).

Mit 3 Seilen kann man einen Punkt in einer Ebene bewegen. Allerdings nur in einem Dreieck zwischen den einzelnen Aufhängungspunkten am Rahmen. Wenn man sich, wie ich, in einem Rechteck bewegen will, benötigt man 4 Seile. Der Bereich in dem eine Bewegung möglich ist, ist durch das aus einer Teilmenge der Aufhängungspunkte aufgespannte Polygon mit maximaler Fläche definiert. Im Raum ist es ähnlich.
Wenn man es allerdings ganz genau nimmt, kann man die Plattform auch mit drei Seilen in einem Viereck bewegen. Allerdings nur, solange dieses Viereck innerhalb des durch die Aufhängungspunkte aufgespannten Dreiecks liegt. Ein 4. Seil ermöglicht es in diesem Fall den Roboter kleiner zu bauen.

Durch das 4. Seil bekommt man leider keinen Zugang zu weiteren Freiheitsgraden (Rotation). Allerdings Erweitert es meine Möglichkeiten der Rotation um die x- und y- Achse der Plattform. Bei geeigneter Wahl der Aufhängungspunkte an der Plattform selbst kann man um den Mittelpunkt der Plattform rotieren.

Ich bin mir nicht sicher, ob ich dich bezüglich des Pendelns richtig verstehe. Was meinst du genau mit "dem Problem des Pendelns"? Meinst du das die Plattform schwingen kann oder nimmst du Bezug auf die Eigenschwingungen der Kinematik?

[Geistesblitz]

In erster Linie meine ich damit das Schwingen der Plattform. Wenn die Seile straff gespannt sind, die Plattform weit oben ist, sollte sich das in Grenzen halten, wenn die Plattform allerdings runterfährt, so kann sie sich selbst immernoch verkippen. Bei dem Beispiel im Video wurde das ja durch die zusätzlichen Seile von unten umgangen, die die Plattform im Raum verspannen. Ohne diese ist die Plattform allerdings unterbestimmt und kann eigentlich um alle Rotationsachsen gewissermaßen pendeln.