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Thema: Entwicklung eines humanoiden Roboters

  1. #1
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    Entwicklung eines humanoiden Roboters

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    Hallo Roboter-Netz-Community,

    dieses Forum scheint eine geeignete Plattform zu sein um Leute zu finden, die ebenfalls an der Entwicklung eines humanoiden Roboters interessiert sind.

    In meiner Abschlussarbeit habe ich mich mit der Modellbildung und dem Prototypenentwurf eines humanoiden Roboters befasst.
    Es ging darum die Kinematik des Roboters entwickeln, Entscheidungen für die Antriebe zu begründen, die Konstruktion auszulegen und Bewegungsanalysen am Modell durchzuführen.

    Hierzu wurden die notwendigen Voraussetzungen und Vereinfachungen für einen Roboter, der sich im Eigenbau umsetzen lässt aufgestellt.

    Existierende humanoide Roboter, wie man sie im Internet finden kann, haben gemeinsam, dass ihre Bewegungen dynamisch erfolgen. Hierdurch sind sie sehr aufwändig in der Vorausberechnung und Regelungstechnik. Für die Anwendung eines Roboters, der beispielsweise für Servicetätigkeiten im Haushalt eingesetzt werden kann, ist jedoch kein System mit einer hochdynamische Bewegung notwendig. Dies kann auch durch ein System errecht werden, das kein dynamisches Durchschreiten von statisch unstabilen Bereichen berücksichtigen muss. Der Roboter muss somit sehr steif ausgelegt und mit großen Standflächen versehen werden.
    Das Prinzip der statischen Bewegung gestaltet die Umsetzung nicht so aufwändig, wodurch der Entwicklungsaufwand überschaubar bleibt und keine so aufwändige Steuerung und Regelung entwickelt werden muss, wodurch es auch Einzelpersonen möglich ist einen einfachen Roboter zu entwickeln.

    Um die Kinematik festzulegen, wurde der menschliche Körper in sieben Teilsysteme zerlegt (Beine, Hüfte, Torso, Kopf, Schultern, Arme und Hände). Anschließend fand eine schrittweise Betrachtung von den Standflächen bis zu den Händen statt. Somit konnten den einzelnen Teilsystemen eine reduzierte Anzahl an Freiheitsgraden zugeordnet werden, die sich miteinander ergänzen, wobei die Anzahl der Freiheitsgrade ausgehend vom menschlichen Körper auf ein realisierbares Maß reduziert wurde. Im Zusammenspiel bilden diese jedoch größtenteils den ursprünglich verfügbaren Bewegungsraum ab.

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Name:	Kinematik.png
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ID:	34830

    In verschiedenen Entscheidungsmatrizen fand eine Auswahl der Antriebe statt. Somit kann bei der Weiterentwicklung oder zukünftigen Detaillierung auf die vorangegangenen Entscheidungen zurückgegriffen werden. In Folge dieser Entscheidungen wurde ein Konstruktionsentwurf ausgelegt.

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Name:	Konstruktionsentwurf.png
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    Mit dem CAD-Modell des ausgearbeiteten Konstruktionsentwurfes wurden mehrere beispielhafte Bewegungsabläufe abgebildet und die Schwerpunktsverlagerung während der Bewegung analysiert.

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Name:	Bewegungstabelle.jpg
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    Grundidee für die Bewegung des Roboters ist es, den Antrieben Positionskombinationen vorzugeben, die nacheinander angesteuert werden. Die Bewegung wird von der Regelung entsprechend den gemessen Werten angeglichen. Diese soll dabei der Steuerung übergeordnet sein, da sie mit den Realwerten arbeitet. Aus diesem Grund soll die verwendete Sensorik der Steuerung lediglich die Möglichkeit, die groben Positionen der einzelnen Antriebe bestimmen zu können. Der Rest der Positionierung soll auf Vertrauensbasis durch Mitzählen der Schritte erfolgen. Durch zuteilen verschiedener abfragbarer Stellbereiche sollen die einzelnen Antriebe ohne großen Aufwand in ihrer groben Position abgefragt werden können. An den Übergängen kann die Position jeweils genau aktualisiert werden um etwaige Schrittverluste auszugleichen.

    Was die Realisierung betrifft, ist die Mechanik des Prototyps bereits realisiert. Für das Knöchelgelenk wurde hierbei die schlürfende Gehversion umgesetzt um für erste Tests beide Beine auf dem Boden zu haben (freistehende Fuß-Variante im CAD-Modell).

    Die hierfür benötigten Fertigungsteile sind hauptsächlich spanend hergestellt. Hierzu wurde die Kontur auf das Plattenmaterial übertragen und von Hand ausgespart. Anschließend wurden die Konturen geschlichtet und die Zentrierungen gesetzt, so dass anschließend wieder manuell weiter gearbeitet werden konnte. Lediglich der Kopf und die Finger sind gedruckt. Die Fotos sind etwas klein, aber ich will nicht gleich bei meinem ersten Beitrag gegen die vorgegebene Bildbreite verstoßen.

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Name:	Fertigungsteile.jpg
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    Der zusammengebaute Kollege ist 1,75 m groß und wiegt 110 kg.

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Name:	Vorderansicht.jpg
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    Ich denke, dass die bisherige Vorarbeit eine gute Grundlage ist um ein Open-Source-Projekt zu starten, an dem Interessenten, die ebenfalls in der Richtung forschen und studieren wollen, mitmachen können.
    Das CAD-Modell (da hier nicht mehr als 10MB hochgeladen werden können wird es anderweitig hochladen und verlinkt) ist momentan als Konstruktion für die spanende Herstellung ausgeführt. Auch vorstellbar ist, dass hier nochmals jemand eine Konstruktion der Kinematik als druckbare Ausführung überarbeitet, so dass sie auch ohne Fräs- und Drehmaschine realisiert werden kann.
    Wenn ein Austausch des Erarbeiten untereinander stattfindet und die Ergebnisse mit Hilfe von Schwarmintelligenz weiter ausarbeiten werden, wird jeder etwas davon haben. Die bisherige Entwiklung betrifft lediglich die Sensorik und Aktorik zur Steuerung des Roboters. Wie er später Verhaltens-/Aufgabentechnisch programmiert wird ist dem Anwender selbst überlassen.

    Im Moment bin ich noch dabei Videos vom Zusammenbau des Roboters zu erstellen (wird noch etwas dauern, da das Schneiden sehr zeitaufwendig ist), bevor es mit der Elektronik weiter geht (Hierfür gibt es bereits Skizzen der Schaltungen für die Sensorit, Aktorik und Bus-Systeme, die noch in ihren Werten ausgelegt werden müssen.). Sofern hier Interessenten an dem Open-Source-Projekt anwesend sind können wir gerne die bisherigen konstruktiven Details durchgehen, so dass sich jeder der mitmachen will einfacher in das Thema einarbeiten kann.

    Grüße
    Marcel

  2. #2
    Super-Moderator Lebende Robotik Legende Avatar von Manf
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    Vielleicht kann man doch noch etwas zur Motivation und Zielsetzung sagen.
    (110kg für eine Haushaltshilfe mit schlurfendem Gang klingt ein wenig seltsam, ist die Energieversorung beim Gewicht schon dabei? )
    Als Studie und zur Unterhaltung kann ich es mir vorstellen, dann könnte es aber auch etwas kleiner ausfallen.
    Ein paar Erläuterungen zum Umfeld wären sicher hilfreich.

  3. #3
    Erfahrener Benutzer Robotik Einstein
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    ich finde das schon sehr beachtlich! Bin gespannt auf ein Video, wie er geht und sich bewegt..!
    Sollte er allerdings tatsächlich "schlurfen", wäre das nicht so dolle, die Füße anheben zum Gehen müsste er schon können.

    Alternative zum Schlurfen, wenn er wirklich keinen "echten" Gang schaffen sollte: dann doch auf Räder setzen ähnlich wie "Johnny 5 / Number Five" https://www.google.com/search?q=John...h=655&biw=1417 (allerdings keine Gleisketten).
    ·±≠≡≈³αγελΔΣΩ∞ Schachroboter:www.youtube.com/watch?v=Cv-yzuebC7E Rasenmäher-Robot:www.youtube.com/watch?v=z7mqnaU_9A8

  4. #4
    Neuer Benutzer Öfters hier
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    Hallo,

    das mit dem schlurfenden Gang ist wohl falsch rüber gekommen. Es gibt zwei Varianten, wie die Freiheitsgrade am Knöchel eingeschränkt werden.
    In der einen Variante wird der Knöchel durch zwei sich schneidende Achsen gebildet. Hierdurch sind seine Freiheitsgrade so eingeschränkt, dass er auch auf einem Bein stehen kann. Der freie Fuß wird hierbei beim Laufen minimal über den Boden angehoben und versetzt.

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Name:	Anhebend.jpg
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ID:	34839

    Bei der Fortbewegung muss (abgesehen von der Vorwärtsverlagerung) der Schwerpunkt von einem auf das andere Bein verlagert werden. Hierbei muss der Spalt zwischen den Standflächen überschritten werden, wenn beide Füße aufsitzen. Zu Beginn der Programmierung wird jedoch wahrscheinlich nicht Alles auf Anhieb reibungslos laufen. Somit würde der Roboter hier im schlimmsten Fall um die Höhe des angehobenen Fußes kippen, falls die Projektion des Schwerpunkts auf den Boden die Innenkante der Standfläche überschreitet, bevor der vorgesetzt Fuß aufsitzt.

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Name:	Schluerfend.jpg
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ID:	34838

    Aus diesem Grund gibt es vorerst die Variante mit Kugelgelenk als Knöchel. Hierdurch dreht der aktive Standfuß immer minimal ein, so dass der vorgeschobene andere Fuß aufsitzt. Es kommt somit zu einer schlürfenden Fortbewegung, mit der die Programmierung und Lernfase entspannter wird.

    Die Motivation es hier zu veröffentlichen besteht darin einen Austausch mit Interessenten anzustoßen, die ebenfalls in diese Richtung einen Roboter bauen und forschen (wollen).
    Ziel wäre es einen Austausch zur Erörterung einer idealen Kinematik mit der dazugehörigen Steuerung und Programmierung dieser zu schaffen, so dass jeder auf diese Information zugreifen kann und nicht von vorne entwickeln muss.
    Für mich sitzt die Grenze, die vorerst Steuerungstechnisch erreicht werden soll an der Stelle, an der sich der Roboter über ein Interface manuell steuern lässt. Wie der Roboter später in seiner Anwendung programmiert werden soll, kann jeder selbst entscheiden.

    Das der Entwurf eine Größe hat, die sich am menschlichen Körper orientiert liegt daran, dass ich ihn mir als Roboter für den Service im Haushalt gedacht habe. Sämtliche Gegenstände (Getränkepacks, Schrankgriffe, Wäschekörbe und Maschinen) sind in einer Größe ausgelegt, dass der Mensch sie gut Handhaben kann. Will man also einen Roboter, der die einfachen Tätigkeiten übernehmen kann bietet es sich an diesen an den Dimensionen des menschlichen Körpers zu orientieren.

    Die 110 kg sind dem Herstellverfahren geschuldet. Das Ganze musste auf verfügbare Fertigungsverfahren angepasst werden. Somit hat sich eine Konstruktion aus Plattenmaterial ergeben, die letztendlich 50% zu diesem Gewicht geführt hat. Die anderen 50% bestehen aus Zukauf, die sich eigentlich nur durch den Austausch in ihrem Gewicht ändern lassen.

    Die Energieversorgung ist dabei. Auf dem Rücken sind sechs Batteriepacks mit 7,2V und 4600mA vorgesehen. Durch die Platzierung wird der Schwerpunk weiter nach oben geschoben, wodurch der Roboter bei der Verlagerung seitlich um einen geringeren Winkel kippen muss.

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Name:	Energieversorgung.jpg
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ID:	34840

  5. #5
    Erfahrener Benutzer Fleißiges Mitglied Avatar von Robotniks
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    Geile Arbeit!

    Ich denke mal du kennst "James" seinen Kanal?
    Wenn nicht hier ein paar interessante Links:

    https://www.youtube.com/watch?v=JWvH5PHKK74

    https://www.youtube.com/watch?v=nH1_8J6itIs
    Geändert von Robotniks (20.02.2020 um 08:21 Uhr)

  6. #6
    Neuer Benutzer Öfters hier
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    Hallo,

    danke für die Links, habe mir gestern und heute ein paar Videos angesehen. Ich hatte mal ein Video von einem der Laufapparate gesehen, wusste aber nicht, dass es inzwischen auch Konstruktionen mit einem gedruckten Oberkörper gibt.
    Interessant finde ich auch, dass sich bei der Konstruktion das Konzept mit der zweifachen Parallelkinematik über die Reihe von zig Laufapparaten durchgesetzt hat.
    Da die Konstruktion nicht komplett steif ist kommt sie natürlich lebendiger herüber, benötigt jedoch wie es scheint eine ausgefeiltere Steuerung und Regelung als ein relativ starres Gebilde. Sieht auf jeden Fall gut aus.

    Bis zur Programmierung meines Roboters wird es noch etwas dauern. Das erste Video vom mechanischen Zusammenbau ist jedoch bald fertig und wird dann auch auf YT hochgeladen.

  7. #7
    Erfahrener Benutzer Robotik Einstein Avatar von Moppi
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    Hallo Marcel!

    Sehr eindrucksvoll, was Du zusammengebaut hast. Steckt eine Menge Arbeit und Fleiß drin, super Sache! Auch, wenn mit 3D-Druck heute vieles schnell hergestellt werden kann, ist das, wegen des Materials, nur bedingt sehr stabil und langlebig.


    MfG

  8. #8
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    Hallo Zusammen,

    es freut mich dass es euch gefällt.

    Inzwischen ist das Video für den Zusammenbau der Beine fertig.
    Es beinhaltet auch ein paar Erläuterungen zur Sensorik und Aktorik, so dass man nicht nur den Zusammenbau sieht:

    https://www.youtube.com/watch?v=JnmHriEBtVw

    Für die Umsetzung der Beine wurden die Antriebe entsprechend den folgenden Entscheidungsmatrizen ausgewählt:
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Name:	Entscheidungsmatrizen_Beine.png
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ID:	34844

    Der Konstruktionsentwurf wurde entsprechend festgelegter Grenzen für die Freiheitsgrade ausgelegt:
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Name:	Grenzen_Freiheitsgrade_Beine.png
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ID:	34845

    Das 3D-Druck nicht ganz so stabil ist seh ich genauso. Ebenso liegt hier die Schwierigkeit meiner Meinung nach darin, dass der Werkstoff je nach Verfahren anisotrope Eigenschaften hat. Für gewisse Anwendungsfälle lässt es sich jedoch besser an die benötigte Form anpassen. Ich denke, dass man auf beide Weisen (Frästeile oder Druck) jeweils einen Entwurf auslegen und umsetzen kann.

    Als nächstes wird das Video über die Hüfte erstellt, so dass hier später die Gesamtkonstruktion konstruktiv diskutiert und verbessert werden kann.

  9. #9
    Erfahrener Benutzer Robotik Einstein Avatar von inka
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    da sitzt man fassungslos vor'm monitor und staunt. Faszinierend, hätte mr.Spock gesagt...
    gruß inka

  10. #10
    Erfahrener Benutzer Robotik Einstein
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    werden die Bewegungsmuster in etwa vergleichbar sein mit Robonova, nur eben größer?
    ·±≠≡≈³αγελΔΣΩ∞ Schachroboter:www.youtube.com/watch?v=Cv-yzuebC7E Rasenmäher-Robot:www.youtube.com/watch?v=z7mqnaU_9A8

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