- 3D-Druck Einstieg und Tipps         
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Thema: Anubis IV - vierbeiniger Laufroboter

  1. #1
    Erfahrener Benutzer Fleißiges Mitglied Avatar von LeeMajors
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    Anubis IV - vierbeiniger Laufroboter

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    Hallo zusammen,

    nachdem ich schon seit 2014 - immer mal wieder - hier im Forum Fragen stelle und nach Tipps frage, wollte ich dann auch mal ein halbwegs fertiges Projekt vorstellen - quasi als Ergebnis eures Inputs!




    3D Konstruktion & Druck

    Der Roboter wurde in 3D konstruiert und die Teile bei Shapeways gedruckt. Das Modell davor (https://www.youtube.com/watch?v=esmm...rcusWengenroth) hatte ein Kumpel mir mit seinem 3D-Drucker erstellt. Inzwischen hab ich mich bei solchen Projekten wirklich von 3D-Druckern verabschiedet - aus folgenden Gründen:
    - Die Geometrie muss den Beschränkungen des 3D Drucks folgen. D.h. die Teile sind z.B. in einer Dimension stabiler, als in der anderen.
    - Die Ergebnisse sind viel ungenauer als bei Shapeways Versatile Plastic
    - Die Ergebnisse sind viel instabiler.
    - Dadurch muss die Materialstärke größer werden, d.h. der Roboter wird klobiger und ungelenkiger.
    - Der Arbeitsaufwand ist enorm - wenn man die ganzen Fehldrucke berücksichtigt, weil der Drucker wieder an die Grenzen gestoßen ist.
    - Die Kosten fürs Filament sind auch nicht zu unterschätzen, wegen Fehldrucken und stärkerer Materialstärke.
    - Bei den gängigen 3D Druckern - oder erst Recht bei den Resin Druckern - ist der Druckbereich zu klein.

    Der ganze Körper ist hier ein Stück, was viel Stabilität bringt und den Bau vereinfacht.
    An einigen Stellen nutze ich Schnappverschlüsse statt Schrauben. Z.B. die Schalterkonsole kann einfach ohne Schrauben nach oben geklappt werden.
    Die Füße haben eine 2-teilige Sohle, dazwischen ist jeweils ein Drucksensor. Der ganze Fuß kann 4mm einfedern. Der Grund ist, dass einmal das Gewicht etwas abgefangen wird, aber vor allem, dass ich 4mm vor der Bodenberührung schon weiß, dass der Boden nur noch 4mm entfernt ist. Latenz ist ja bei sämtlichen Sensoren und Aktoren ein Problem ist. Durch die 4mm kann ich hier etwas entgegenwirken.

    Gewicht: Inkl. Akku 3.020g


    Elektrik
    Nach vielen Tipps von euch habe ich die Elektrik so einfach wie möglich gehalten. (Hab ja selber keine Ahnung davon ). Die Energie kommt aus einem 5200mA 3S Hobbyking Lipo, der mit 363g für die Kapazität relativ leicht ist. Wenn man nicht rumläuft, hält der Akku ca. 4 - 5 Stunden, wie es bei der Lauferei ist, weiß ich noch nicht.
    Die Spannung geht dann zu 6 Schaltern, 4 Schalter für die Servo-Stromversorgung für jedes Bein und 2 Schalter für 2 Spannungsregler für 2 Raspis und einen WLAN-Accespoint-Client. Da keine weitere Spannungsstabilisierung nötig ist, sind die Einschaltströme sehr gering und können ohne komplexere Elektronik einfach so über die Schalter laufen.

    Servos: Ich benutze die recht teuren Dynamixel XM430-W350 Servos. Nachdem ich mich jahrelang mit RC-Hobby-Servos rumgeschlagen habe und nun relativ sicher war, dass ich den Roboter zum laufen bekomme, hab ich mich dazu entschlossen. Im Gegensatz zum Hobbyservo haben die Dynamixel folgende Vorteile:
    - viel geringeres Spiel des Servorades - der Roboter wird weniger wackelig
    - sehr präzise und unkomplizierte Ansteuerung
    - die aktuelle Position und der Strom werden zurückgegeben
    - die Kraft, mit der gearbeitet wird ist genau über mA justierbar (die RC-Servos arbeiten immer mit voller Kraft und können bei falscher Programmierung dann den eigenen Roboter zerstören)
    - die Servos können in Reihe angeschlossen werden. Bei Anubis sind z.B. 3 Servos eines Beins in Reihe verbunden. D.h. die dicken Kabelbündel fallen weg.
    - uvm.
    D.h. ich kann zu jeder Zeit auslesen, in welcher Stellung sich der Roboter gerade befindet.

    Rechner: Die Rechner sind 2 Raspi 4B. Eigentlich könnte man jetzt das WLAN der Raspis nutzen um darauf zuzugreifen und die 2 Raspis selber mit einem LAN Kabel verbinden. Ich hab mich allerdings für einen externen WLAN-Accesspoint entschieden, den ich im Client-Modus betreibe. Der Accesspoint hat einen 3fach Gigabit-Switch eingebaut, wo ich 2 Raspis einfach einstecken kann. Auf den Raspis ist WLAN & Bluetooth ausgeschaltet.

    Der 1. Raspi ist grob für die Bewegungen zuständig, der 2. wird später die Bilder der 3D Kamera interpretieren und in einen 3D Raum umsetzen. Diese Aufgabe ist sehr rechenintensiv und würde die Bewegungsberechnungen stören - daher der 2. Raspi.

    Es gab bei den 2 Raspis folgende Möglichkeiten:
    - Beide benutzen ihr eigenes WLAN für die Kommunikation nach außen und Gbit-LAN für die Kommunikation untereinander - die WLANs haben sich aber gegenseitig gestört, ich hatte immer mal wieder Ausfälle von einigen Sekunden.
    - Nur ein Raspi benutzt WLAN, Raspi 2 ist mit LAN an Raspi 1 angeschlossen und nutzt das WLAN des 1. - Dann hat der Raspi 1 allerdings mit routen auf alle Fälle wieder mehr zu tun und der sollte ja wichtigere Aufgaben erfüllen... und außerdem ist das Raspi WLAN eben auch nicht so stark, wie das des Access-Points.
    - Ich habe mich dann für diesen Router entschieden: https://smile.amazon.de/gp/product/B..._title_o06_s00 der die Jobs übernimmt und theoretisch sogar einen 3. Gbit-Anschluss hat.

    Auf dem Raspi 1 ist ein selbstgebauter Hat, wo ich mehrere IC2 Module draufstecken kann, dort ist ein 8 Kanal 12Bit A/D Wandler wo ich 4 Kanäle für die Spannungsüberwachung und 4 Kanäle für die Drucksensoren der Füße nutze. Ebenfalls kommen dort die Stromversorgungen der Beine an und werden auf die entsprechenden Buchsen für die Servos verteilt.

    An einem IC2 Anschluss befindet sich ein BNO055 Lagesensor, der u.a. auch die fusionierten Daten von Gyro, Magnetometer und Beschleunigung bereitstellt. (Sensorfusion ist recht kompliziert und auch leistungshungrig, weshalb es prima ist, wenn das im Chip automatisch passiert.) Die Lage kann ich mit einer Latenz von 0.12s auslesen, was sehr viel schneller ist, als vorher über einen über USB angeschlossenen Sensor.

    Ansonsten sind die Raspis erstaunlich leistungsfähig. Der Vorgänger hatte einen StickPC verbaut = schwerer und teurer. Ich denke, Linux als Betriebssystem macht schon viel aus und bremst um Welten weniger als Windows.

    Vorne ist noch eine Intel RealSense D435 verbaut, damit Anubis später autonom die Umgebung erkundschaften kann.

    Software
    Auf den 2 Raspis läuft das normale Raspberry Pi OS. Die Logik der Roboters ist in Python 3 programmiert. Außerdem gibt es ein Web-Frontend auf Apache Basis, also php, html, clientseitig Javascript. Die Kommunikation zwischen Website (Client) und Python passiert in Echtzeit über eine Websocket-Verbindung. Der Game-Controller lässt sich prima über JavaScript auslesen und an den Roboter übertragen. Ebenfalls gibt es einen Simulationsmodus, wo Anubis vereinfacht über WebGL angezeigt werden kann und in Ruhe - ohne Angst um Servos und Mechanik - die Bewegungen getestet werden können.

    Nach einigen Anlaufproblemen hab ich dann die Inverse Kinematik auch in den Griff bekommen - es hat nur recht lange gedauert, bis der Groschen gefallen ist. Damit Anubis nun überall hinläuft, wo ich ihn hin haben will, definiere ich einfach die Position und die Lage des Körpers und die Füße müssen sich entsprechend anpassen. Zunächst mal heben die sich, grob gesagt, rauf und runter (in z-Achse). Wenn sie auf dem Boden sind, bleiben sie, wo sie sind, ansonsten wird ein entsprechendes Ziel berechnet. Diese Schleife schaffe ich mit 120 Durchläufen pro Sekunde. D.h. 120x pro Sekunde wird auch ein neues Ziel berechnet. Auf diese Weise kann ich gerade gehen, aber auch Kurven laufen oder mich auf der Stelle drehen. Und weil das so eindrucksvoll ist, kann man der Körper auch in jede Richtung neigen.

    Kosten
    Der größte Kostenfaktor sind natürlich die Servos mit 12 x EUR 240,- = EUR 2.880, der 2. Kostenfaktor der 3D-Druck: EUR 610. Der Rest hängt dann von der Ausbaustufe ab. Braucht man die 3D Kamera und einen 2. Raspi + Router, oder kommt man mit einem aus - ich schätze, dass ich alles in allem bei ca. EUR 4.000,- gelandet bin.


    Das wars erst mal - ich hoffe, dass ich da noch mehr hinbekomme! :-D

    Grüße, Marcus
    Geändert von LeeMajors (12.11.2020 um 16:15 Uhr)

  2. #2
    Benutzer Stammmitglied Avatar von Gerdchen
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    Hut ab, ganz großes Kino! Am Ende des Videos dachte ich schon, nach dem "Überholmanöver" schwenkt der Robi zum Trinknapf und will dem armen Hundi was wegsaufen.

    Mich würde interessieren, wie die Halbarkeit der Sevos bei dieser Dauerbelastung aussieht.


    Gerdchen

  3. #3
    Erfahrener Benutzer Robotik Visionär Avatar von oberallgeier
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    Hallo Marcus - darf ich mal kurz was sagen? Kompliment. Was für ein sauberes Stück, eine richtige Augenweide !

    Bei den Kosten hätte ich etliches mehr geschätzt. Aber Mannstunden dürfte eine je Euro fast zu wenig sein!? Wie lange wars denn? Wenn Du das verraten willst.

    Frage2: sind die vier Beine weitgehend gleich in Mechanik und Software?
    Frage3: gibts dazu Vorstudien?

    Weiter viel Erfolg und - nochmal : Kompliment !
    Ciao sagt der JoeamBerg

  4. #4
    Erfahrener Benutzer Robotik Einstein Avatar von inka
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    alle achtung, gefällt mir!
    gruß inka

  5. #5
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    @Gerdchen: Naja, noch halten sie!
    Wie gesagt, es sind die ersten Läufe, aber ich glaube, die Servos stecken einiges weg. Die sind nicht wie die RC-Servos. Wenn man die bei der Endposition weiter dreht, gehen die zügig kaputt. Bei den Dynamixel kann man die Kraft einstellen. Wenn man die noch stärker weiter dreht, fahren die einfach wieder zurück. Wenn ich z.B. 500mA einstelle, ist das so ein Bisschen wie eine Feder.
    Von daher hoffe ich einfach mal, dass die lange durchhalten, zumal ich die nur mit ca. 50% der möglichen Kraft betreibe.

    @oberallgeier: Meinen ersten Roboter hab ich 2014 angefangen, richtig zu Ende gebaut hab ich Renate https://ilumi.de/3dvisualization/Renate und den Vorgänger. (S. YouTube Link oben). Das ganze ging über Jahre und die ganzen Erfahrungen fließen hier natürlich ein. Die Software und die Skripte wurden natürlich auch immer weiter entwickelt. D.h. ich hab nicht bei 0 gestartet.

    Mit Anubis IV hab ich im August angefangen.

    Ansonsten: Die Beine sind komplett gleich, bis auf die Tatsache, dass die Seitenservos für die hinteren Beine gespiegelt sind. Und die Vorstudie ist eben der 3D-Druck Anubis.

    @inka: Dankeschön!
    Geändert von LeeMajors (12.11.2020 um 17:28 Uhr)

  6. #6
    Erfahrener Benutzer Robotik Einstein Avatar von Moppi
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    Ich finde alles super. Tolle Sachen!


    Die Bildverarbeitung etc., damit muss man sich doch intensiv auseinandersetzen.
    Wie hast Du denn damit angefangen? Hattest Du da schon schulische Vorkenntnisse, oder alles von Anfang an selbst erlernt?
    Hattest Du Bücher, wo Du Dein Wissen drauf aufgebaut hast, oder wie hast Du das angehäuft?


    Freundlichen Gruß
    und weiter so! - Klar
    Moppi

  7. #7
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    ich bin wirklich begeistert, kompliment.

    du hast ohne ros gearbeitet, wenn ich das richtig verstehe? man kann also komplexe sachen in der roboter entwicklung auch ohne ros realisieren.

    stephan
    das leben ist hart, aber wir müssen da durch.

  8. #8
    Erfahrener Benutzer Robotik Einstein Avatar von Rabenauge
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    Mir gefällt der auch sehr. Kompliment!
    Aber ne kleine Lanze für RC-Servos (auch wenn ich die Wahl der Dynamixel absolut richtig finde- würd ich auch so machen) muss ich mal brechen: bitte, nich immer von den Billigsten ausgehen.
    Auch da gibts durchaus welche, die man im normalen Betrieb _nicht_ kaputt bekommt.
    Nur nich eben fürn 20er...
    Auch in spielfrei (sagen wir, kein mess-oder fühlbares) gibt es das.

    Was mich brennend interessiert: warum tippelt der so- der benutzt ja kaum 5 Grad der möglichen Servoausschläge- ist das nur weil "noch nicht fertig" oder hat das andere Gründe?
    Grüssle, Sly
    ..dem Inschenör ist nix zu schwör..

  9. #9
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    @Moppi: Noch macht die Kamera nichts - außer, dass man den Videofeed streamen kann.
    Die 3D Kamera wirft quasi ein 16Bit-Graustufen-Bitmap raus, aus dem man genau den Abstand zwischen Pixel und Kamera auslesen kann. Wenn ich jetzt die Roboterposition und Lage kenne, kann ich die erfassten Punkte ebenfalls entsprechend drehen und verschieben und weiß dann, wo im Raum die Hindernisse sind.

    Vorkenntnisse sind:
    - Programmieren seit 1981
    - 2 Semester Mathe
    - Fotoausbildung
    - 3D Grafiker seit 1996
    - Webprogrammierung seit ca. 2000
    - und son Bisschen mit Elektronik im geringen Maße hab ich auch seit Kind gemacht...

    Irgendwie hat das alles zusammen gepasst für so ein Projekt.

    @morob: Irgendwie war mir ROS ein zu großes unbekanntes Gebilde. Ich bin auch ein Fan davon, alles selber zu machen. Und so lange ich auf ca. 100 Durchläufe in der Sekunde komme, müssten die Bewegungen hinreichend geschmeidig werden. Ein "Bisschen" ROS ist auf dem 2. Raspi installiert. Da geht es aber im Grunde nur um den Treiber für die 3D-Kamera.

    @Rabenauge: Ja, ist richtig. Aber die kosten dann auch eher um die EUR 100,-.
    Wegen tippeln: Bei der Gangart sind immer 2 Beine diagonal oben und 2 unten. D.h. er hat die ganze Zeit eine instabile Haltung. Bliebe er so stehen, mit 2 Beinen oben, würde er also sofort umkippen. Je schneller man dem entgegenwirkt, desto weniger Zeit hat er zum kippen, aber je unruhiger wird er auch. Momentan benutze ich den Lagesensor auch nicht. Ich bin auch nicht sicher, ob ich den trotz nur 0.12s Latenz sinnvoll zum Gleichgewicht halten einsetzen kann. Momentan sind die Beinpaare nur jeweils 0.25s in der Luft...
    Vielleicht kann ich diese Latenz verringern, wenn ich nur den Gyro benutze... mal gucken.
    Grundsätzlich kann man das Gehüpfe bei schwereren Robotern - wegen der Massenträgheit - langsamer machen. Der hier wiegt nur 3kg. Der kleinste, mir bekannte und agile Roboter dieser Art wiegt 5kg, der A1 von Unitree: https://www.unitree.com/products/a1
    Ich werde aber auch noch mit der Fußstellung experimentieren. Wenn die Füße unten dichter beisammen stehen, müsste sich das Kippverhalten auch verbessern, aber die Stabilität insgesamt verringern. Das wiederrum könnte ich dann über den Lagesensor ausgleichen...

    Grüße, Marcus

  10. #10
    Erfahrener Benutzer Robotik Einstein Avatar von Moppi
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    Ich glaube, Dir fehlt dann eine zusätzliche Bewegung, oben in der Hüfte, um die Beine auch nach innen und außen stellen zu können. So könnte man vielleicht das Gleichgewicht besser in den Griff bekommen.
    Shapeways Versatile Plastic: welches Verfahren verwenden die denn?
    Jetzt ist mir klar, warum Du so hohe Druckkosten hattest.

    MfG

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