Motoren für Roboter

Welchen Motor nimmt man am besten für einen Roboter? Diese Frage wird in den wenigen Roboter-Foren die es überhaupt gibt, fast täglich gestellt. Oft bleibt die Frage leider unbeantwortet oder wird zumindest widersprüchlich beantwortet.
Die meißten Roboter besitzen zwei Antriebsräder und ein Stützrad. Dies ist quasi der Standard-Aufbau eines mobilen Roboters. In den meißten Fällen wird jedes Antriebsrad durch einen kleinen Gleichstrom Getriebemotor angetrieben. Durch diese Technik kann sich der Roboter quasi auf der Stelle drehen indem er ein Rad linksrum und eines rechtsrum bewegt.

Getriebemotoren wie den RG35 gibt es für ca. 15 - 20 Euro im Elektronikhandel mit unterschiedlichen Umdrehungszahlen pro Minute.

Für kleinere Roboter bis etwa 5 KG reichen diese Motoren fast immer aus, insbesondere wenn die Roboter nur in der Wohnung unterwegs sind und keine Steigungen oder Hinternisse bewältigen müssen. Je nach Radgröße sind Umdrehungszahlen zwischen 10 und 100 Umdrehungen pro Minute am sinnvollsten.

Die Kraft eines Motors wird durch das sogenannte Drehmoment angegeben. Beim Kauf sollte imme rauf diese Angabe geachtet werden. Die Einheit Newton wird mit mNm bzw. Ncm abgekürzt.

100 Ncm entsprechen 1 mNm

Das Drehmoment ist die Kraft mal den Weg. Ich möchte Euch  nu nicht mit der ganzen Mathematik von meiner Webseite verscheuchen, daher nur ein paar Beispiele:

Ein Getriebemotor mit 100 Ncm könnte beispielsweise bei einem Hebel von 1 cm (an der Achse) noch 10 KG heben. Eine ganz schöne Leistung nicht wahr.

Kleinere Getriebemotoren (3- 10 cm Länge) haben meißt eine maximale Kraft von 50 - 900 mNm hinter dem Getriebe. Vor einem Getriebe sind es je nach Untersetzungsfaktor oft nur 50 bis 200 Ncm. Die Hersteller geben manchmal das Drehmoment vor - und manchmal nach dem Getriebe an. Hier kommt es daher immer wieder zu Verwechslungen, also immer gut aufpassen.

In der Regel reicht ein Getriebemotor wie der RG35 mit ca. 0,6 Ncm (vor Getriebe mit goßer Untersetzung z.B. 1:100 oder 1:200) für kleine Roboter fast immer aus. Bei einer Untersetzung 1:100 sind das immerhin fast 40 Ncm.

Noch kleinere Roboter können auch mit Servos angetrieben. Einige Bastler haben herausgefunden das man Servos mit etwas Geschick auseinandernehmen kann und mit wenig Aufwand so austricksen kann, das diese als ganz normale Motoren arbeiten (also 360 Grad Volldrehungen machen können). Allerdings reichen Servos aufgrund der Plastikzahnräder wirklich nur für Kleinsroboter.
Für größere Roboter ab 5 KG aufwärts braucht man schon recht starke Getriebemotoren. Hier bieten sich dann auch Scheibenwischermotoren vom Schrotthandel an. Diese können dann auch Roboter über 10 oder 20 KG problemlos bewegen. Allerdings sollte man immer auch den Strombedarf im Auge haben!

Nachteile von Getriebemotoren

Getriebemotoren haben zwar den Vorteil das Sie recht günstig, recht klein und recht einfach anzusteuern sind, aber Sie haben auch Nachteile. Ein Roboter der sich in einer Umgebung haargenau zurecht finden soll, muß kerzengerade und auch Kurven in genau definierten Winkel fahren können. Dies ist mit Getriebemotoren nicht so einfach, denn die Motoren bleiben ja nicht sofort stehen wenn die Spannung abgeschaltet wird. Zudem drehen sie sich je nach Bodenbeschaffenheit mal langsamer und mal schneller. Der Roboter weiß also nie genau wieviel Umdrehung das Rad nun eigentlich wirklich gemacht hat.
Diesen Nachteil muß man mit Sensoren (Drehgeber, Gabellichtschranken etc.) ausgleichen. Am Rad muß also ein Sensor angebracht werden, welcher bei Bewegung des Rades Impulse an den Microcontroller sendet. Der Microcontroller muß also ständig prüfen wie weit sich ein Rad bewegt hat. Schon die Geradeausfahrt wird ein extrem kompliziertes Steuerungsproblem. Denn alle Motoren unterliegen ja Toleranzen und drehen bei gleicher Spannung nie genauso schnell. Um geradeaus zu fahren muß also immer ein Motor gebremst und ein anderer beschleunigt werden. Das ganze muß so schnell kontrolliert und gesteuert werden das es dem Beobachter garnicht auffällt. Zwar läßt sich dies alles mit Software- oder auch mit Hardware regeln, aber es ist doch ein ganz schöner Aufwand, insbesondere für Einsteiger.

Daher bin ich kein großer Freund von Getriebemotoren als Roboter-Antrieb. Ich favorisiere die sogenannten Schrittmotoren. Schrittmotoren gelten als recht kompliziert in der Ansteuerung und recht schwach. Das dies nicht der Fall ist erläutere ich auf der Seite Schrittmotoren. Dort zeige ich das selbst schwere Roboter bis zu ca. 15 kg sehr gut mit Schrittmotoren bewegt werden können. Zumindest wenn nicht unbedingt auch hohe Geschwindigkeiten notwendig sind. Der Steuerungsaufwand ist zudem erheblich einfacher als bei Getriebemotoren.

Meine Lieblingsschaltung für Getriebemotoren bis ca. 2A Dauerbelastung
Diese Schaltung ist schnell aufgebaut und bietet reichlich Leistung auch für etwas größere Motoren.

zum vergrößern Bild anklicken

Der verwendete L298

Eine Alternative für kleine Motoren bis ca. 1 A ist der L293D:

Eine gute Schaltungsbeschreibung findet man hier

(Fotoquelle: http://www.the-starbearer.de)

Noch mehr Power gewünscht?

Ein noch recht unbekannten aber interessanten Motorchip hab ich erst vor kurzem entdeckt, nämlich ein SMD-Chip aus dem KFZ-Bereich: vnh3sp (Datenblatt im Download-Bereich). Mit ihm lassen sich sogar recht große Motoren ansteuern, vorausgesetzt man kühlt ihn entsprechend. Aber selbst ohne Kühlung bietet er bedeutet mehr Leistung als der L298. Das schöne, die Ansteuerung ist kaum anders als beim L298. Kleiner Nachteil: Da es ein SMD-Chip mit 1mm Kontaktabstand ist, muss man schon eine geeignete Platine (spezielles Layout mit Kühlflächen) und etwas Löterfahrung besitzen. Inzwischen gibt es aber schon verschiedene RN-Projekte mit dem Chip (RN-Power, RN-Mini H-Bridge), Platinen und Chip können über den Robotikhardware.de-Platinenservice bezogen werden.

Bauanleitung und Beschreibung im Roboternetz

Weiterführende Links zum Thema Motoren:

Bezugsquelle für Schrittmotoren
Bezugsquelle für preiswerte Schrittmotor - und Getriebemotortreiber
Bezugsquelle für Getriebemotoren
Automatische Berechnung der Robotergeschwindigkeit bei unterschiedlichen Motoren
Übersicht einiger gängiger Motoren
Bauteile zur oberen Motorenschaltung L297/L298
http://www.the-starbearer.de
Roboter-Tutorial
Natürlich das Roboternetz