Aber wie stark muß der Motor sein?

Auch diese Frage wird des öfteren in Foren gestellt. Da die Mehrzahl der Bastler Roboter in ähnlicher Gewichtsklasse, zwischen 1 und 4 kg bauen, bekommt man als Antwort oft einen Motor genannt mit dem der ein oder andere schon gute Erfahrungen gemacht hat. Zum Beispiel wird hier oft ein kleiner Getriebemotor mit der Bezeichnung RB35 genannt. Dieser Motor ist zwar nicht übermäßig stark, aber bietet doch ein recht gutes Preis- Leistungsverhältnis. Da der Motor zudem mit verschiedensten Getriebeuntersetzungen erhältlich ist, handelt es sich in der Tat schon um einen kleinen Standard Motor für Roboter Bastler. Aber es gibt viele Alternativen, einige interessante werden derzeit in dieser Motorliste zusammengetragen.

Will man einen etwas schwereren Roboter basteln, dann wird es derzeit mit den Erfahrungswerten etwas dünne. Hier empfehle ich doch einmal das benötigte Drehmoment zu berechnen. Das Drehmoment ist die wichtigste Größe um die erforderliche Kraft einen Motors zu vergleichen. Das Drehmoment wird auch bei jedem Anbieter von Motoren genannt! Leider nennen viele Hersteller und Anbieter das Drehmoment in einer etwas anderen Einheit oder Einheitsgröße, was oft zu Irrtümern und Verwirrung beiträgt. Die Standardgröße ist Newton pro Meter bzw. pro cm! In der Roboternetz Motorliste haben wir allen Herstellerangaben entsprechend umgerechnet, so das ein vernünftiger Vergleich möglich ist. Dabei muß man noch unterscheiden, ob das Drehmoment vor oder nach dem Getriebe gemessen wird. Nähere Angaben und Hinweise jedoch in der Motorliste.bzw. auf der Motorenseite.

Aber wie berechnet man nun das erforderliche Drehmoment? Wenn man alle möglichen Aspekte haargenau berücksichtigt, dann ist das garnicht so einfach. Da jedoch die wesentlichen Faktoren wie das Gewicht des Roboters, das Getriebe und dessen Radgröße ist und allen anderen Faktoren immer weitgehend gleich bleiben, kann man nun über die Drehmoment-Berechnungsseite ganz einfach das notwendige Drehmoment berechnen lassen. Einfach die ersten vier Felder ausfüllen und auf "Berechnung" klicken. Schon wisst ihr recht genau wie stark eurer Motor sein muß. Zudem könnt ihr so auch sehen wie schnell sich der Roboter bei verschieden Raddurchmessern bewegt. Spielt einfach mal ein wenig mit den Werten und sucht euch dann bei den Anbietern oder in der Motorliste den geeigneten Motor heraus. Die richtige Auswahl erspart euch später viel Stress und Kosten.

Die Verwendung eines Schrittmotors

In meinem Projekt habe ich mich, wie bereits geschildert, für einen Schrittmotor entschieden. Daher möchte ich bei der weiteren Beschreibung darauf näher eingehen. Leider sind in unserer Motorliste derzeit noch keine Schrittmotoren enthalten (das kommt jedoch noch). Kleinere Schrittmotoren sind sehr leicht erhältlich, fast jeder Elektronik-Anbieter hat so etwas im Sortiment. Manche Bastler verwenden auch Schrittmotoren aus alten Floppy-Laufwerken oder Druckern. Aber diese Motoren eignen sich gewöhnlich wirklich nur für sehr leichte Roboter. Ab 1 kg würde ich schon Ausschau nach einem etwas stärkeren Motor halten. Auch hier kann unsere Berechnungsroutine durchaus herangezogen werden um in etwa das nötige Haltemoment eines Schrittmotors zu berechnen. Ein Schrittmotor sollte nicht zu schwach sein, da er sonst "Schritte verlieren" kann. Das bedeutet er bewegt sich durch den Schwung etwas weiter als es die Steuerung eigentlich vorgegeben hat. Wenn dies passiert, dann wäre die ganze Genauigkeit dahin und man müsste mit zusätzlichen Sensoren (Drehgebern) das ganze ausgleichen. Wenn man den richtigen Motor wählt und den Roboter nicht zu schnell bewegt, dann verlieren diese Motoren allerdings keine Schritte. Man muß dazu wissen, dass Schrittmotoren mit steigender Drehzahl an Kraft verlieren. Daher eignen sich diese auch nicht sonderlich für sehr schnelle Roboter. Da Schrittmotoren bei kleinen Drehzahlen die stärkste Kraft haben, arbeitet man nur selten mit Getrieben, was wiederum ein kleiner Platzvorteil ist.

Bei der Entwicklung meines Projektes habe ich, wie so viele Einsteiger noch die Formel "Pi x Daumen = Wird schon stimmen" verwendet. Natürlich hat das dazu geführt das ich mich für den falschen Motor entschieden habe. Ein typische Anfängerfehler war zu glauben, das die Nennspannung der Schrittmotoren auch mit der vorhandenen Batteriespannung identisch sein sollte. Erst später war mir klar das Schrittmotoren nur dann optimale Leistung bringen wenn der Strom geregelt wird. Um eine optimale Stromregelung zu ermöglichen sollten Schrittmotoren nämlich eine möglichst niedrige Nennspannung und somit auch einen niedrigen Innenwiderstand besitzen. Insbesondere da man bei Roboter-Projekten selten mehr als 12 V zur Verfügung hat, sollte die Nennspannung der Motoren durchaus bei 2-4 V liegen. Drehmaschinen steuern solche Motoren im übrigen oft mit über 30 V an! Eine höhere Spannung ist auch deshalb wichtig, weil bei Schrittmotoren die Induktivität der Spulen dem Stromfluss entgegenwirkt.

Ansteuerung eines Schrittmotors

Wie gesagt um einen Schrittmotor wirklich sinnvoll für den Antrieb nutzen zu können, muss dieser optimal ansteuert werden. Hier hat sich inzwischen eine Schaltung mit zwei integrierten Schaltkreisen L297 und L298 als ein gewisser Standard etabliert. Diese Schaltung erlaubt zum einen auch die Ansteuerung etwas stärkerer Schrittmotoren (bis ca. 3 A) und zum anderen belegt sie nur wenige Ports ihres Controllers. Die spätere Programmierung des Roboters wird dadurch kinderleicht!

Durch einen regelbaren Widerstand (der eine Referenzspannung festlegt) wird der maximale Strom dieser Motorschaltung festgelegt. Die Referenzspannung kann ganz einfach mit einer Formel berechnet werden. Der entsprechende Nennstrom wird ja bei jedem Motor angegeben. Die genaue Berechnung und die Beschreibung der Belegung findet ihr ja schon auf unserer Schrittmotorenseite.

Aufbau des Chassie

Nachdem man den  Motor, die Bauform und die Aufgabe des Roboters festgelegt hat und Skizzen mit Millimeterpapier oder Zeichenprogramm (z.B. Corel) entworfen hat, kann man ans Werk gehen. Der erste Weg führt hier oft in den Baumarkt zu den Regalen mit den Alu-Profilen. Hier muss man darauf achten, dass es unterschiedliche Hersteller dieser Alu-Profile gibt und diese meist nicht kombiniert werden können. Also möglichst immer die gleiche Sorte verwenden. Zur Verschraubung der Teile eignen sich für kleine bis mittlere Roboter durchaus 4 mm Maschinenschrauben. Diese sollte man sich in unterschiedlichen Längen besorgen. besonders nützlich sind auch Muttern mit einem Sicherheitsring. Diese lösen sich bei Erschütterungen nicht ganz so leicht wie normale Muttern. Und wenn man schon mal im Baumarkt ist, kann man auch gleich eine geeignete Möbelrolle für das hintere Stützrad in den Einkaufswagen legen.

Wie die Alu-Profile miteinander verschraubt und kombiniert werden, das ist im wesentlichen Ansichtssache. Da mein Roboter doch recht schwer werden sollte habe ich als Basis für den Aufbau und die Befestigung der Achse recht starke und breite L-Profile benutzt. Für den weiteren Aufbau hab ich dann nahezu alles mit zwei verschiedenen U-Profilen aufgebaut. Um etwas Gewicht zu sparen wurden auch einige Plastik U-Profile benutzt.
Da es mein erster Roboter war und ich noch nicht genau wußte wieviel Platz Akku, Staubsauger, Elektronik usw. genau brauchen würde, habe ich alle Etagen sehr groß ausgelegt. Im Hinterkopf hatte ich hier auch den Gedanken, dass der Roboter später noch einige andere Aufgaben übernehmen könnte. Von daher schien mir ein etwas größerer Roboter sehr sinnvoll - sieht halt auch etwas mehr nach Roboter aus ;-).

Aber nicht erschrecken, ganz so groß wie auf dem Bild rechts ist er dann am Ende doch nicht geworden. Die ALU-Profile wurden später noch gekürzt. Für solche Arbeiten reicht eine ganz normale Metallsäge (ca. 30 cm) aus dem Baumarkt. Man könnte auch eine Stichsäge nehmen, allerdings sind da die Sägeblätter immer sehr schnell stumpf und es harkt!

Aus der Erfahrung heraus würde ich heute sagen, es ist günstiger mit einem etwas kleineren Roboter einzusteigen. Bei solch großen Robotern kommen später, was die Sensorik betrifft aber auch die schon angesprochene Motorkraft, schnell einige Probleme auf einen zu.

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Roboter-Tutorial - Thema: "Ich will einen Roboter bauen - nur wie?"