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Thema: Anubis IV - vierbeiniger Laufroboter

Baum-Darstellung

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

    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)

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