Entwicklung eines humanoiden Roboters

[Marcel D]

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.



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.



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



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.



Der zusammengebaute Kollege ist 1,75 m groß und wiegt 110 kg.



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