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Thema: Zylindrischer Hausroboter

  1. #1
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    Zylindrischer Hausroboter

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    LiFePo4 Akku selber bauen - Video
    Hallo zusammen,

    so, das ist mein erster Beitrag, ich probiere mich mal darin, mein ersonnenes Projekt zu beschreiben und würde mich über Anregungen und Tipps sehr freuen.

    Mein Ziel ist es, einen "Hausroboter" zu entwickeln. Das ganze soll ein Familienprojekt werden und den Großvater (handwerklich) und die 10jährige Tochter (gestalterisch, spielerisches Ranführen ans Programmieren) einbinden.

    Meine persönlichen Erfahrungen sind eher im unteren Bereich anzusiedeln. Daher ist immer auch ein bisschen die unterschwellige Frage: Übernimmt man sich mit so einem Projekt schon, oder ist gerade die modulare Vorgehensweise (siehe unten) eigentlich ganz gut und sinnvoll, um die einzelnen "Lektionen" zu lernen. Ich bin einigermaßen flexibel, was den Softwareteil angeht (immer privat und beruflich mit IT in Berührung gewesen, brauchbare Kenntnisse in C/C++ (etwas eingestaubt), Java, Javascript, Perl, PHP, etc.. Python kann ich zumindest einordnen und Code lesen und verstehen und sehe mich auch in der Lage, das soweit aufzumöbeln, wie ggf. für die Programmierung der Logik des Roboters nötig). Ich habe letztens meine erste Raspberry Pi Erfahrungen gesammelt (habe ein Busy Light nachgebaut, welches von Microsoft Teams den Anwesenheitsstatus abfragt und dann auf eine LED-Phat überträgt und so meiner Tochter vor dem Home Office-Raum anzeigt ob ich verfügbar (grün) oder busy (rot) oder away (gelb) bin). Elektrotechnik beschränkt sich auf den Kosmos-Kasten in der Kindheit und Einlesen in den letzten Wochen.

    Mein Ziel ist das folgende: Einen Roboter zu bauen, der auf einer vermutlich runden Chassis aufgebaut ist und als Grundform zylindrisch ist (ein bisschen wie R2D2, ohne den Anspruch zu haben, diesen nachzumodellieren). Als "Korpus" schwebt mir da in der Tat ein Drahtgeflecht-Papierkorb nach diesem Muster vor: https://www.amazon.de/-/en/Relaxdays...843686&sr=8-13 Die Außenhülle kann durch die Tochter später laminiert und gestaltet werden.

    Ich möchte gerne modular vorgehen und die folgenden Fähigkeiten in den beschriebenen Ausbaustufen ergänzen:

    1. Ausbaustufe: Grundstruktur (Chassis noch ohne Verkleidung) und Vorwärts/Rückwärtsbewegen sowie Kurven. Dazu sollen zwei Räder mit Motoren verbaut werden sowie 1x Gleitkugel (also ein "Tricycle"-Aufbau). Steuerung zunächst per WLAN, entweder einfach über Terminal Session oder je nach Lust und Laune mit einer einfachen Web-Bedienoberfläche. Fahrten natürlich innerhalb der Wohnung nur langsam notwendig. Das Gewicht des ganzen Roboters sollte m. E. künftig 5 kg nicht übersteigen.
    2a. Ausbaustufe: Ergänzen der zylindrischen Verkleidung (also das Drahtgepflecht-Papierkorbs o. Ä.) sowie Anbau erster Sensoren um Objekte im Fahrtweg festzustellen (Ultraschall Sensor, Infrarot Sensor, o. Ä.) sowie ein einfaches Display um Gemütszustände auszudrücken (kleines OLED, oder LED-Matrix, o. Ä.).
    2b. Ausbaustufe: Weitere Pheriperie - Geräusche wahrnehmen (Mikrofon) und darauf reagieren, Äußerungen ausgeben (Lautsprecher), Dinge sehen (Kamera) (im "Gesichtsbereich"des Roboters, als vorne oben im Zylinder)
    3. Ausbaustufe: Sprechen, Sprache verstehen (Richtung digitaler Assistent als Alexa-Ersatz)
    4. Ausbaustufe: Autonome Navigation in der Wohnung, Autonomes Verhalten (Begrüßen wenn er Leute sieht o. Ä.), Smarthome-Geräte kontrollieren
    5. Ausbaustufe: Ladestation mit autonomem Laden (hier bin ich noch unsicher, ob wir das wollen und ob das "sicher" zu bewerkstelligen ist. Ich habe großen Respekt vor LiPos)

    Meine große Frage ist aktuell, mit welchen Komponenten beginne ich mit Stufe 1, so dass ich uns für die folgenden Stufen nichts verbaue.

    Als Basis möchte ich nach Möglichkeit wieder einen Raspberry (Zero? Oder doch eher größer?) verwenden. Ansonsten bin ich gerade recht viel auf joy-it.net unterwegs und bin der Meinung, dass hier recht viele sinnvolle Komponenten zu haben sind. Aber ich scheitere ein wenig an der Auswahl, etwa der Motoren. Und dann auch die Frage der Motorenansteuerung. Brauche ich für das obenbeschriebene Szenario einen separaten Microcontroller (die Anfängerfrage schlechthin?) und welcher ist am besten mit dem RPi kombinierbar, ohne dass ich mir eine Sackgasse baue. Hier im Roboternetz habe ich zwar viele Infos dazu gefunden - habe aber das Gefühl, dass die "Wiki"-Texte oft viele Jahre alt sind (keine Kritik) und bin mir dann nicht sicher, ob die Infos so noch gelten.

    Halter ihr den Ansatz grundsätzlich für machbar? Ich möchte ungern erst ein "Wegwerfprodukt" als Zwischenlösung zum Lernen bauen, sondern eben lieber modular aufbauen. Ich bin der Meinung, dass die beschriebene Form eine recht einfach realisierbare Form ist, die auch im Innenraum des Zylinders viel Platz bietet. Ich fand es bei der Recherche erstaunlich, dass ich wenig bis keine vergleichbare Projekte gefunden habe.

    Danke für Einschätzungen, Tipps, Warnungen, Teile-Empfehlungen etc!

    Schönen 4. Restadvent und Grüße

    Patrick

  2. #2
    Erfahrener Benutzer Fleißiges Mitglied Avatar von Defiant
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    Wie viel Zeit möchtest du denn investieren und wie hoch ist dein Budget?

  3. #3
    Erfahrener Benutzer Robotik Einstein Avatar von Rabenauge
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    Machbar ist das schon, wenn du ein bisschen Erfahrung mit den Raspis hast, denke ich.
    Allerdings solltest du wissen, dass ein Raspi für Steueraufgaben nicht unbedingt optimal ist.
    Ich würde die Steuerung nen Arduino machen lassen (die können das bei weitem besser), und den Pi zum rechnen (erst mal unnötig) und die WLAN-Steuerung nehmen.

    Was ich für nicht optimal halte sind das Antriebskonzept und auch der Papierkorb.
    Antrieb: _ich_ würde es mit drei Motoren und Allseitenrädern machen. Da kann man beispielsweise Schrittmotoren verwenden, und in irgendeiner Ecke festfahren gibts nicht mehr.
    Bei einem Zweirad-Antrieb kann man das, wenn man die Anordnung gut wählt, zwar auch hinkriegen, aber dann wirds auch etwas kippelig. Wenn sowas auf dem Punkt drehen soll, müssen die beiden Räder mittig sein.
    Ausserdem erspart man sich bei Schrittmotoren zusätzliche Odometrie-Sensoren (ohne die ein vernünftiges manövrieren in ner Wohnung oder so kaum möglich sein wird, irgendwoher muss ja der Papierkorb wissen, wo er ist).
    Grundsätzlich ist deine Lösung zwar deutlich einfacher, aber auch eingeschränkter.

    Wegen dem Papierkorb: du wirst Aussparungen brauchen, du wirst jede Menge Montagemöglichkeiten brauchen, das kriegt man zwar mit dem Drahtgitter schon irgendwie hingefrickelt, aber was ne Bastelei....wenn da sowieso jemand ein Gehäuse "basteln" will, wieso nicht einfach nur ne tragende Struktur innen, die alles trägt?
    Ich würds mitm 3D-Drucker machen (falls du einen hast). Da kann man auch gleich die nötigen Befestigungen vernünftig lösen.

    Und: WLAN heisst Funkwellen. Die müssen also durch das Drahtgitter durchkommen- je nachdem, wie fein es ist, kannst du das entweder völlig vergessen, oder es wird schlecht funktionieren (zumal die Pi's im Funkbereich keine Heldentaten vollbringen).

    Wegen dem Zero: ich spiel auch ganz gerne mal mit denen (...billiger als'n Arduino...), aber die Rechenleistung ist auch begrenzt. Ein gut Teil geht schon fürs System und das Interface (ich arbeite eigentlich immer mit VNC und nem virtuellen Bildschirm, weils so schön praktisch ist) flöten.
    Bisselwas schafft der schon noch, aber die Dinger haben halt ihre Grenzen. Spätestens beim Kamerastream in HD wird es dann eng, da läuft meiner schon mal auf 100% Last.
    Besser wird es, wenn man auf den Desktop verzichtet-aber wer will das schon (ich jedenfalls nicht).
    Den 3er (ich hab den B oder 3+ oder sowas) hab ich noch nicht wirklich in die Knie bekommen.

    Wenn du vorgehst, wie _ich_ es machen würde (nämlich für die Sensoren und die Antriebssteuerung einen Arduino nehmen, da reicht schon ein ganz billiger ProMini oder Nano), wirst du nur mit wenigen Leitungen zwischen Pi und Arduino auskommen, du kannst also erstmal nen Zero nehmen, und den später ggf, austauschen.
    Falls du vor hast, später mit vielen Sensoren zu arbeiten, wäre vielleicht ein Arduino Mega2560 (gibts auch Clone für wenig Geld) die bessere Wahl- die haben abartig viele IO-Pins, sowie drei serielle Schnittstellen (UART). Kostet ein bisschen mehr, aber kann auch so richtig was.

    Mein Freddie hat nen Arduino Nano als "Fahrer"- der handlet zwei Motoren, zwei Lichtschranken-Odometer(die per Interrupts überwacht werden->wichtig), überwacht den Akku, vier weitere Lichtschranken als Hindernis-Sensoren, liest ein Joypad aus (fünf Taster), und kann nebenher noch einiges über den I2C-Bus erledigen.
    Mehr wirds dann aber auch nicht- der ist Pinmässig ausgereizt.
    Für die weiteren Sachen hab ich derzeit da auch nen Pi Zero drauf, an der Kommunikation zwischen den beiden sitz ich noch (I2C kann der Pi auch nicht ganz so, weil er das nicht hardwaremässig kann, ich habs z.B. nicht geschafft, den als Slave laufen zu lassen).
    Grüssle, Sly
    ..dem Inschenör ist nix zu schwör..

  4. #4
    Erfahrener Benutzer Fleißiges Mitglied
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    Übernimmt man sich mit so einem Projekt schon, oder ist gerade die modulare Vorgehensweise (siehe unten) eigentlich ganz gut und sinnvoll, um die einzelnen "Lektionen" zu lernen.
    Alleine über das Thema "Navigation eines Roboters" wurde schon unzählige Doktorarbeiten geschrieben. Aber lass' dich davon nicht erschrecken. Andere haben das auch hinbekommen. Ich denke, Du hast die wichtigste Regel schon befolgt: Teilen und beherrschen! Du hast dein Projekt in Teilschritte zerlegt. zerlege jeden Teilschritt in kleine, weitere Sub-Projekte und diese nochmals in Sub-Sub-Projekte, so dass Du quasi eine Anzahl X an Tagesaufgaben erhältst. Dann bleibt das Ganze übersichtlich und Du siehst immer wieder Teilerfolge. Mit einem Mindmapping-Programm, wie z.B. Freemind, kannst Du übersichtlich das Gesamtprojekt in Teilprojekte zerlegen.

  5. #5
    Erfahrener Benutzer Robotik Einstein
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    Räder

    Als Hinweis, für die Überlegung. Es waren ja nur zwei Räder im Spiel. Ich hatte eine ähnliche Konstruktion, wollte aber, dass das Gerät sicher steht (kein Hilfsrad benötigt) und problemlos geradeaus fährt.



    Auch ohne elektronische Steuerung fährt das praktisch schnurgerade, was allein bei nur einem Rad links und rechts nicht selbstverständlich ist. Drehen kann so was, wenn auf einer Seite die Räder entgegengesetzt drehen. Beide Motoren einer Seite werden wie ein Rad behandelt und gesteuert.

    ---

    Zum Thema Motoren, da war ich auch mal auf der Suche. In diesem Thread. Und hatte dazu noch mehr gefunden.


    Liebe Grüße
    Geändert von Moppi (20.12.2021 um 10:58 Uhr)

  6. #6
    Neuer Benutzer Öfters hier
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    Hallo zusammen,

    vielen Dank für die Antworten schon einmal!

    Also ein finites zeitliches und finanzielles Budget gibt es nicht. Für mich ist ein Stückweit auch der Weg das Ziel und für meine Tochter soll der Lerneffekt auch sein, dass die ganzen Gadgets, die sie so kennt, nicht einfach so vom Himmel fallen, sondern da sehr viel Detailarbeit drin steckt.

    Dennoch mal als grobe Rahmen: Ich würde gerne recht "zügig" (innerhalb einiger Wochen, sprich Stunden) mal die Ausbaustufe I erreicht haben. Eine Chassis, die man ferngesteuert bewegen kann. Für das Gesamtprojekt (und natürlich wird es unterwegs neue Ideen geben oder bestehende Ideen weisen sich als nicht sinnvoll heraus etc.) würde ich mich freuen, wenn wir im November soweit "fertig" sind, dass der Roboter eine tragende Rolle verkleidet als Geist bei unserer Halloween-Geisterbahn einnehmen kann. Vom finanziellen Budget her: Ich finde, viele Einzelteile sind erstaunlich günstig. Der ganze Spaß sollte denke ich mal vom groben Rahmen her im dreistelligen Bereich bleiben (können).

    Zur Steuerung: Ich habe tatsächlich noch nicht abschließend verstanden, warum der Raspberry Pi hierzu nicht ausreicht. Klar - die Anschlüsse reichen nicht, aber dafür gibt es ja, wenn ich es richtig sehe, entsprechende Extensions. Aber neben den Anschlüssen, welche Vorteile verschafft mir ein separater Mikrocontroller wie der Arduino Mega2560 konkret - dann ja mit dem "Nachteil" einer komplizierteren Architektur. Könnte man dann sinnvollerweise den RPi und Mega2560 per USB verbinden um die Kommunikation im Betrieb zu gewährleisten?

    Weiterhin habe ich die Vorbehalte gegenüber dem Antriebskonzept, bzw. die relevanten Vorteile eines dreimotorigen Konzepts mit 3 omnidirektionalen Rädern noch nicht ganz verstanden. Ein auf der Stelle drehen und omnidirektionale Bewegung finde ich gar nicht so wichtig. Wenn der Roboter sich in eine Ecke verfährt, kann er doch einfach rückwärts wieder rausfahren? Dennoch hatte ich aber auch schon solch ein Chassis im Fokus gehabt. Hier gibt's eins mit drei Allseitenrädern inkl. Motoren. Gibt es Einwände gegen so ein Produkt? Kommt aus China und scheint mir recht teuer, aber mir gefällt es grundsätzlich ganz gut: https://www.amazon.com/SZDoit-Premiu...cx_mr_hp_atf_m

    Den verlinkten Papierkorb für 3,90 EUR habe ich mir übrigens mal bestellt und werde mal mit meinem vorhanden RPi Zero prüfen, wie sich das WLAN Signal im Innenraum des Korbs verhält.

    VG

    Patrick

  7. #7
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    Die von dir verlinkte Plattform auf Amazon finde ich nicht teuer. Immerhin sind dort 3 Motoren mit Encoder vorhanden. Ich finde, die Plattform ist viel zu klein. Mit etwas mehr als 20cm im Durchmesser kannst Du nicht wesentlich in die Höhe gehen, weil das Teil sonst umkippt. Ich weiß nicht genau, welche Größenvorstellungen Du hast, aber meiner Meinung nach sollte eine solche Plattform doppelt so groß sein, damit Du nicht im Platz zu sehr eingeengt bist.

    VG, Jürgen

  8. #8
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    Hhmhh - der Papierkorb, der ja letztlich die Zylinderform vorgibt, hat einen Durchmesser von 23 cm und eine Höhe von 24 cm. Zumal die meisten zumindest vorgefertigen Chassis in der Größenordnung oder kleiner zu sein scheinen. Man könnte die Platte natürlich selbst anfertigen. Grundsätzlich finde ich die Größe aber erst einmal "in Ordnung" und würde denken, da ist erst einmal reichlich Platz drin (und dran - nicht alles muss ja drinnen "leben" - ich könnte mir später mal vorstellen, Akkus außerhalb zu befestigen). Zumal größer ja prinzipiell auch immer schwerer heisst. Aber das sind natürlich alles nur subjektive Einschätzungen meinerseits ohne Erfahrung.

    Bleibt bei der von Amazon verlinkten Plattform die Frage, ob die Motoren was taugen oder ob man die dann eh gegen "bessere" austauschen müsste.

  9. #9
    Erfahrener Benutzer Robotik Einstein
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    Bei den Omni-Rädern kennt sich @Inka gut aus. Der baut damit. So weit ich das verstanden habe, sind die vor allem für gerade Böden geeignet. Das angestrebte Ziel soll aber sicher sein, dass der Roboter auch über Hindernisse fahren kann, zumindest über kleine Schwellen.

    Dieses von mir entworfene Chassis hat eine Größe von etwa 10cm im Durchmesser. Die Radgröße soll auch bedacht werden, ich würde bei einem größeren Chassis auf einen Raddurchmesser von bis zu 5cm setzen (nicht unter 3cm).





    Der Drehpunkt dieses Chassis befindet sich in der Mitte, so war das gedacht. Im Video nicht zu sehen ist, dass es nur mit angeschlossener Batterie fährt (Kroko-Klemmen zu den Motoren, alle an derselben Batterie); um zu sehen, ob die Konstruktion generell für das geplante Vorhaben taugt. Wichtig war für mich vor allem, dass das Gerät von Raum zu Raum fahren kann und über Teppiche, so gut es geht. Dinge, die man vorher bedenken muss.

    Was die mehreren Controller angeht, das kann man machen, muss man aber nicht. Wenn man mit Getriebemotoren und analoger Motorsteuerung arbeitet (also keine Schrittmotoren, wo man jeden Schritt kontrolliert), ist das eigentlich kein Problem. Die Motortreiber werden aktiviert, das Teil fährt in eine Richtung, bis eine Drehrichtungsumkehr oder ein Stop erfolgt. Das kann man mit einem Arduino UNO bis MEGA oder sicher auch mit einem Pi machen. Zur Leistungsfähigkeit der drei genannten Dinge und dem geplanten sonstigen Zweck kann ich nichts sagen, da fehlt mir die Erfahrung damit.

    Gruß
    Moppi

  10. #10
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    Ein Raspi ist nicht Echtzeit-fähig, da er eher ein PC ist als ein Steuer-Controller.
    Der kann kein Multitasking.

    Um beispielsweise einen Motor anzusteuern, brauchst du meistens eine PWM. Das kann ein Raspi zwar, aber das wird rein per Software gemacht, während Steuer-Rechner (wie sie auf den meisten Arduino-Boards verbaut sind) das alles in Hardware machen.
    Wenn du bei einem Arduino eine PWM auf irgendeinem Pin ausgibst,dann macht der das im Hintergrund so lange weiter, bis er den Befehl bekommt, damit aufzuhören.
    In der Zwischenzeit kann man alles Mögliche treiben, das funktioniert so auch mit mehreren Pins gleichzeitig.
    Du kannst ihn also munter irgendwas rechnen lassen, ohne dass die PWM davon auch nur im Geringsten beeinflusst wird (die Pins tun einfach das, was ihnen zuletzt gesagt wurde, im Hintergrund weiter).
    Das ist beim Raspi nicht so, da das alles in Software gemacht wird.
    Immer, wenn der nen neuen Befehl bekommt, hört er mit dem vorherigen (erstmal) auf. Das wird zwar in der Software gut überspielt (in vielen Fällen merkt man davon gar nichts), kann einem aber auch auf die Füsse fallen.

    Auch die I2C-Schnittstelle betrifft das: die gibts zwar, ist aber eingeschränkt. Ich habs nicht geschafft, einen Pi zum I2C-Slave zu machen, weil das schlichtweg nicht implementiert ist.
    Die meisten Arduinos haben ausserdem einige analoge Eingänge. Damit kann man beispielsweise einen Thermistor (temperaturempfindlicher Widerstand) ganz einfach einlesen, oder einen Fotowiderstand.
    Das kann ein Pi _nicht_, ohne weitere Hardware, da er keinen AD-Wandler hat.

    Mit einigen Tricks und Umwegen geht sowas durchaus auch mit nem Raspi (mit Einschränkungen, die man je nach Szenario merkt oder auch nicht)- aber mit einem Arduino ist halt manches deutlich einfacher, weil die solche Steuer-und Messaufgaben "einfach so" können.

    Falls du es mit nem Pi machen willst: https://hackaday.io/project/25092-ze...rted-fall-2018
    Da hast du nen recht guten Einstieg, wirst aber andere Motoren und Motortreiber brauchen. Diese TT-Motoren da reichen für den kleinen gradenoch, für was grösseres sind die zu schwach.

    Wegen den zwei Motoren: zwei geht auch, klar- aber drei wäre die elegantere Lösung.
    Grüssle, Sly
    ..dem Inschenör ist nix zu schwör..

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