Entwicklung eines humanoiden Roboters

[Marcel D]

Hallo,

damit es hier weitergeht die Aufführung der ersten Gedanken zur Umsetzung der Elektronik.

An den verschiedenen Stellen sind folgende Aktoren und Sensoren verbaut, die größtenteils die entsprechend markierten Ein- und Ausgänge benötigen. Für die Schrittmotoren muss noch ein Enable-Signal gesetzt werden. Hierbei sollen aber mehrere Motoren eines Gliedmaßes, die sich gleichzeitig bewegen auch gleichzeitig aktiviert werden.


Die Endstufen selbst sind standardmäßig aufgebaut. An den Beinen soll es vorsichtshalber noch ein Signal zur Stromüberhöhung durch variieren der Referenzspannung geben, falls mal kurzfristig etwas mehr Kraft benötigt wird. Dies wird dadurch erreicht, dass im Normalbetrieb ohne Stromüberhöhung der zweite Transistor leitend ist. Wird das Signal für die Stromüberhöhung gesetzt, so wird der vorgeschaltete Transistor leitend und die Spannung an der Basis des zweiten fällt ab, wodurch dieser sperrt. Somit wirkt nur noch der erste Spannungsteiler auf die Referenzspannung, wodurch diese angehoben wird und ein höherer Strom fließt, bis am Shunt der Wert der Referenzspannung erreicht wird.


Die Gleichstrommotoren der Hände werden lediglich über H-Brücken angesteuert. Durch eine zusätzlich vorgeschaltete Spannungsquelle können unterschiedliche Spannungen eingestellt und somit die Greifkraft beeinflusst werden. Die Grenzen des Bewegungsbereiches werden durch Lichtschranken an den Fahnen in der Hand gebildet. In Schließrichtung verfügt jeder Finger über ein separates Signal. Die Öffnung erfolgt über ein gemeinsames Signal. Will man einen Finger nicht mit Öffnen, so reicht es aus hierbei zeitgleich das Schließsignal zu setzen um beide Seiten des Motors auf das gleiche Potential zu ziehen.


Dieses Bild stellt den Abfragebus dar. Da lediglich Signalbereiche der einzelnen Aktoren abgefragt werden und der Rest über Mitzählen interpoliert wird ist es nicht nötig zeitgleich alle Lichtschranken abzufragen. Deshalb gibt es zwei Bussysteme (rechte und linke Seite). Durch die UND-Verknüpfungen zur Erzeugung des Abfragesignals wird auch gewährleistet, dass immer nur ein Aktor abgefragt werden kann, wodurch es nicht zeitgleich zu Signalüberlagerungen mehrerer Aktoren kommen kann. Die Positionsbereiche die Abgefragt werden können haben die Anordnung 000, 001, 011, 010, 110, 100, 101 und 111. Hierdurch ändert sich an den Übergängen immer nur 1 Bit und es kann nicht zu Sprüngen in der Messung kommen.


Die Drucksensoren selbst verfügen über zwei Abfragevarianten. Zum einen gibt es die analoge Abfrage, die für die Lernphase verwendet werden soll, zum anderen die digitale Abfrage, die zum Einsatz kommt, wenn keine so große Auswertung im Hintergrund laufen soll. Diese soll lediglich über Schmidttrigger erkennen ob kein, niedriger oder starker Druck auf die Kontaktplatten wirkt.


Der Neigungssensor selbst ist ein fertiges Teil.

Grüße
Marcel

[Marcel D]

Hallo Roboter-Netz-Comunity,

nach einer etwas längeren Pause, die der Faulheit und anderen Projekten geschuldet war, ist es nun wieder um ein ganzes Stück weiter gegangen.

Maßgeblich für den Fortschritt waren zwei hoch motivierte angehenden Techniker (Christopher und Louis), die die Idee hatten an dem Open-Source-Projekt mit zu arbeiten und im Zuge ihrer Abschlussarbeit die Elektronik zur Ansteuerung sämtlicher Schrittmotoren zu entwickeln. Sie haben ganze Arbeit geleistet, so dass sich nun sämtliche Schrittmotoren ansteuern lassen und der Roboter somit zum Leben erwacht ist. Des Weiteren wurden die hierfür notwendige Verteilerplatine entwickelt und weitere Gedanken zur Spannungsversorgung mittels Akkus angestellt.



Um auf diesen Stand zu kommen haben sie erstmal das Konzept der geplanten Elektronik anhand verschiedener Lösungsansätze und einer Entscheidungsmatrix optimiert. Anschließend wurden Musterplatinen gebaut und die Funktionen getestet, bevor wir gemeinsam den kompletten Roboter elektrifiziert haben. Nebenher wurde noch ein Programm geschrieben, welches es ermöglicht die Antriebe benutzerfreundlich über eine Bedienoberfläche anzusteuern.



Das Video, wie sich der Roboter inzwischen bewegen kann ist hier zu sehen: https://youtu.be/074uH6XMvYo

Sobald die beiden ihren Vortrag hatten kann es an anderen Baustellen weiter gehen. Zum einen werden die Hände erneuert, zum anderen noch an der Drucksensorik der Füße gearbeitet.

Grüße
Marcel

[Marcel D]

Hallo Roboter-Netz-Comunity,

es ist wie angekündigt mit den Händen weiter gegangen.


Die Finger sind nun neu überarbeitet und mit Scharniergelenken anstatt Biegegelenken ausgeführt.
In jedem beweglichen Gelenk sind vergossene Drucksensoren um hier eine Rückmeldung bekommen zu können, ob etwas gegriffen ist und nicht nur blind die Finger zu schließen.
Die Elektronik muss noch entworfen werden, da sie bisher nur gedanklich existiert. Vorerst müssen aber erstmal die Lichtschrankenpositionen auf der Platine ermittelt werden.
Im gleichen Zug werden auch die provisorische Verteilerplatine ordentlich überarbeitet und ausgetauscht, sowie eine Platine für die 5V-Logikspannungsaufbereitung entworfen, da der Abgriff hier momentan noch über ein USB-Netzteil stattfindet. Dann kann der Logik-Bus und der Raspberry direkt über einen Gesamtanschluss versorgt werden.

Des Weiteren ist der Akku-Rucksack angebracht, so dass der Roboter nicht mehr zwangsläufig am Labornetzteil hängen muss. Hier soll die Schaltung jedoch mit einem Wechsler so ausgeführt werden, dass beide Betriebsarten möglich sind, um nicht ständig auf Akku-Betrieb laufen zu müssen und während der Inbetriebnahme direkt am Netzteil schauen zu können, wie viel Strom aktuell benötigt wird.


Ebenso müssen noch ein paar Lichtschranken montiert und Messstäbe gefertigt und angebracht werden, so dass im Anschluss die lokale Positionseinlesung für alle Aktoren programmiert werden kann.

Wenn man es dann noch schafft, dass der Bildschirm über Funk und nicht mehr per Kabel mit dem Raspberry verbunden ist, ist der Roboter nicht mehr nah an einen Ort gebunden und es kann erstmal mit der Programmierung zum Gang weiter gehen.

Grüße
Marcel

[Rabenauge]

Wenn man es dann noch schafft, dass der Bildschirm über Funk und nicht mehr per Kabel mit dem Raspberry verbunden ist, ist der Roboter nicht mehr nah an einen Ort gebunden und es kann erstmal mit der Programmierung zum Gang weiter gehen.

Ich benutze für meine Pi's gerne VNC.
Da kann man bequem am Laptop arbeiten, hat aber den Pi-Desktop (einfach ne passende Auflösung am Pi-"Bildschirm" einstellen) bequem auf dem Laptop.
Auf dem Pi kann man sich dann noch ein hübsches, grafisches Interface basteln (Tkinter oder so) wenn man will.

[jmoors]

Schon wieder so Thread, wo mir ein großer Like-Button fehlt.
Es ist bewundernswert mit wie viel Ausdauer und Begeisterung ihr solche Projekte voran treibt!

VG, Jürgen

[inka]

ich verfolge das projekt auch schon ne ganze weile. was mich beschäftigt ist die sicherheit. das ding wiegt doch bestimmt mindestens 50 kilo, oder? und die motoren, die das bewegen sollen müssen auch einiges an kraft mitbringen. kann da nichts schiefgehen? hat das ding irgendwie ein notaus?

[Marcel D]

Hallo Zusammen,

@André:
Das was ich damals damit sagen wollte war, das meiner Meinung nach für die meisten Fälle Bewegungen ausreichend sind, die jeden Moment gestoppt werden können, wodurch der Roboter dann statisch in seinem Zustand verharrt und nicht umkippt. Bei einer hochdynamischen Bewegung hingegen gibt es Zwischenbereiche im Bewegungsablauf, in denen der Roboter keinen stabilen Zustand hat, weshalb er sich vorausschauend durch diese Bewegen muss um hierbei gezielt einen stabilen Zustand zu verlassen und wieder in einen erneuten stabilen Zustand zu kommen. Das halte ich für die Programmierung wesentlich schwieriger.

Momentan drehen sich die Schrittmotoren alle gleich schnell, egal ob sie mehr oder weniger an ihrem jeweiligen Gelenk untersetzt werden. Ich gehe davon aus, das sich der Roboter erstmal langsam bewegt und das später dann so skaliert werden kann, das er sich ab der Hüfte aufwärts etwa mit einem drittel der gemütlichen Geschwindigkeit in der ich mich bewege bewegen kann und unterhalb ca. mit 1/4, wobei das Alles nur Schätzungen sind. Während der Arbeit der Techniker haben wir den Arm auch mal um einiges schneller bewegt, wobei er dann in Resonanz kommen kann und rattert.

Mit den neuen Ablaufplänen kann jedoch auch die Geschwindigkeit übergeben werden, so dass man sich hier leichter rantasten kann. Sobald die restlichen Kleinigkeiten fertig sind und die Inbetriebnahme weit genug voran geschritten ist wird es berichtet.

@inka:
Der Roboter wiegt ca. 115kg. In den neuen Ablaufplänen gibt es ein Bit, das gesetzt werden muss um die Bewegung zu ermöglichen. Das kann dann über einen Software-Notaus getoggelt werden. Hardwaremäßig gibt es den Hauptschalter links oben am Torso, wenn er gerade mit Batterie läuft, oder das Labornetzteil, wenn er gerade darüber betrieben wird.

Ich denke, das er durch die Bewegungen, die sich immer statisch anhalten lassen gut in Betrieb nehmen lässt und sich somit die Standfestigkeit auch bei der Programmierung an den Zwischenpositionen überprüft werden kann.

Die Motoren sind unterschiedlich stark, am meisten Kraft hat er in den Beinen, wobei hierbei das Oberschenkelneigungsgelenk mit dem Kniehebel die größte Kraft aufbringen kann. Bisher habe ich aber auch noch mit niemandem zu tun gehabt, der der natürlichen Selektion unterliegt und so unvernünftig war und seinen Finger in einen der Antriebe zu stecken.

Grüße
Marcel