Schlagzeugroboter

[Ranx]

Hallo zusammen,

ich bin wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fachgebiet Mechatronik im Maschinenbau der Technischen Universität Darmstadt, und für meine Dissertation möchte ich einen humanoiden Roboter konstruieren, dessen Arme relativ große Beschleunigungen mitmachen, allerdings nur geringe Lasten tragen und eine Fläche von der Größe eines Pizzatellers treffen müssen. Dabei ist der Ort des Treffers auf der Fläche mit großer Toleranz bemessen (+- 50mm), der Trefferzeitpunkt muss jedoch präzise einstellbar sein, ähnlich etwa wie bei einem Schlagzeuger. Die Armbewegungen beim Schlagen der Flächen sollen denen eines Menschen möglichst ähnlich sein. Die Aktoren in den Handgelenken müssen mindestens 5 Vor- und Zurückbewegungen in der Sekunde machen können, also 5 Hz, besser etwas mehr. Die dabei gefahrenen Weg-Amplitude betrgägt etwa 50mm, bei minimaler Last (etwa Masse eines Schlagzeugstockes + Masse des beschleunigten Greifers). Man stelle sich einfach die mechanische Abbildung eines Schlagzeugers vor, der die programmierten Sequenzen spielt, etwa so  , nur eben schneller und natürlich als Sequenz programmier- und abspielbar.  Der Roboter muss weder laufen, noch sehen noch hören können. Die Auslösung der vorprogrammierten Weg-Zeit-Verläufe der einzelnen Achsen soll via MIDI geschehen, ein Protokoll, mit dem auch Synthesizer und andere elektronische Musikinstrumente angesteuert werden. Die Übersetzung in ein für die Aktoren verständliches Signal sollte eigentlich das geringste Problem sein. Das Budget ist relativ klein,  etwa 1000 € /Monat.  Ende des Jahres soll der Roboter Schlagzeug spielen können. Ich habe den RB-1000 von Graupner gesehen und war danach der Meinung, dass das oben beschriebene Projekt mit dem zur Verfügung stehenden Geld realisierbar ist, d.h. ein dem RP1000 sehr ähnlicher, modifizierter Roboter in Menschengröße zu bauen ist, der sich wie ein Schlagzeuger bewegen kann. Sehr gerne würde ich dabei auf die von Graupner angebotenen Programmierungssoftware zurückgreifen können.

Ein erstes kinematisches Modell sieht etwa so aus:

1. Fußgelenke: jeweils 1 Freiheitsgrad (Heben und Senken des Fußes, max. Weg-Amplitude 50mm bei bis zu 5 Hz, Last = Eigenmasse+Trägheitskräfte + ca. 500g )
2. Hüfte: Ein Freiheitsgrad (Drehen des Oberkörpers), der Roboter ist sitzend fest montiert.
3. Schultergelenke: Jeweils 2 Freiheitsgrade (Drehung in Armachse, sowie Heben und Senken des Oberarmes)
4. Ellenbogen: jeweils 2 Freiheitsgrade (Drehung in Armachse sowie Beugen und Stecken)
5. Handgelenke: Jeweils 1 Freiheitsgrad (Hin- und Herbewegen der Faust mit Stock, 50mm Wegamplitude bei 5 Hz praktisch nur unter Eigenmasse und Trägheitskraft der Faust)
6. Kopf: 2 Freiheitsgrade (Drehen und Nicken )

Wichtig: Der Weg-Zeit Verlauf muss für jede Achse detailliert programmierbar sein, je intuitiver, desto besser, etwa durch Führen der Hand/des Armes/ und Aufzeichnung der kombinierten Bewegung.

Meine Frage ist jetzt an die erfahrenen Roboterbauer unter euch gerichtet:
Habe ich mit meiner Annhame recht, ist das mit moderatem Budget realisierbar, wenn alle Entwicklungs- und Konstruktionsarbeit selbst geleistet wird ?

Zweite Frage: Welche Bauteile, speziell welche Aktoren welcher Hersteller kommen für mich in Frage, bzw. welche erhältlichen. fertigen Baugruppen kann man verwenden und was kosten sie ungefähr ? Kann ein kleiner, ausgemusterter Industrieroboter (welcher? ) helfen oder sind die alle viel zu groß und zu stark ?
Am liebsten würde ich den RB-1000 einfach in Menschengröße nachbauen, etwa bis zur Hüfte, dann die Arme modifizieren. Was brauche ich dafür ?
Für alle Anworten höchst dankbar,

Ranx

[WolfHenk]

Motoman hat einen zweiarmigen Robot im Angebot.

Aber was heißt "moderat" beim Budget? Schätze, daß Du von ein paar tausend Euro redest, nicht wahr?

[Urmel]

Hallo,

ich bin mir nicht sicher ob die in Industrierobotern verwendete Technik für eine Anwendung wie Deine geeignet ist.

Industrieroboter, auch die kleinen, sind dafür ausgelegt Lasten präzise zu bewegen. Auch bei einem Roboter mit 1 kg Traglast wiegt der Arm schon 15 - 20 kg. Versuch mal eine Kiste Cola mit 5 Hz um 50 mm hin- und herzubewegen ...  Da kannst Du Dir ausrechnen, welche Antriebsleistung das erfordern würde.

In diesen Geschwindigkeitsbereich stossen nur Spezialkinematiken vor, die eigentlich zur SMD-Bestückung gedacht sind, wie z.B. der RP-1AH von Mitsubishi. Aber der ist sowohl von der Bauform als auch vom Preis für so eine Aufgabe ungeeignet.

Im Prinzip sind die dort verwendeten Drehstrom-Servomotoren für Anwendungen mit solchen Geschwindigkeiten geeignet. In Verpackungsmaschinen ist so ein Speed auch die Regel. Aber ein solcher Motor sprengt schon Dein Monatsbudget und hat einen endscheidenden Nachteil: Er ist schwer. Wenn man solche Motoren in den Armen verbaut muss der Körper wieder entsprechend schwer sein, mit den erwähnten Auswirkungen auf die erforderliche Motorleistung.

Es hilft also nur konsequenter Leichtbau. Da wird man mit Teilen von ausrangierten Industrierobotern nicht viel anfangen können. Zu langsam, zu schwer, zu teuer.

Eventuell geht es mit Kleinmotoren z.B. von Maxon. Allerdings sind die auch nicht gerade billig.

Ansonsten musst Du ein paar alte Drucker zerlegen. 
Für solche Aktivitäten bist Du allerdings bei den Hobbybastlern auf roboternetz.de besser aufgehoben.

Grüße

  Urmel

[Ranx]

Motoman hat einen zweiarmigen Robot im Angebot.

Aber was heißt "moderat" beim Budget? Schätze, daß Du von ein paar tausend Euro redest, nicht wahr?

Ja.  Gibt es denn keine anderen Servos, die dafür geeignet wären ? Ich meine, der Graupner RB1000, siehe http://www.graupner-robotics.de/, bewegt sich eigentlich recht flüssig, ist allerdings nur 30 cm groß. Kann man denn sowas nicht einfach größer bauen, natürlich mit 220-V -Anschluß, und nicht auf Batteriebasis ?

[Urmel]

Ja.  Gibt es denn keine anderen Servos, die dafür geeignet wären ?

Sicher. Aber mit industrieller Servotechnik reicht Dein Monatsbudget höchstens für eine Achse.

[Ranx]

Ja.  Gibt es denn keine anderen Servos, die dafür geeignet wären ?

Sicher. Aber mit industrieller Servotechnik reicht Dein Monatsbudget höchstens für eine Achse.

Dann nehmen wir eben nicht- industrielle Servotechnik. Oder gebrauchte industrielle Servotechnik.  Welche Servos genau bräuchte ich und wo bekomm ich die ? Der Graupner RB 1000 (habt ihr euch den mal angesehen ? ) hat 9 x RBS581 Digitalservos. Incl. Chassis, Gleichgewichtssensoren, etc. kostet das Ding 850 €. Warum soll sowas Faktor 5 größer nicht Faktor 10 teurer zu bauen sein ?
Bitte gebt mir wenigstens einen Hinweis, welche Servos genau (Typenbezeichnung, Hersteller) für meine Anwendungen grundsäztlich geeignet wären. Auch müssen erstmal nur die Handgelenkservos diese hohe Frequenz können, alle anderen Servos liegen im "normalen" Frequenzbereich.

[Urmel]

Dann nehmen wir eben nicht- industrielle Servotechnik.
...
Welche Servos genau bräuchte ich und wo bekomm ich die ?

Frag mal hier:

www.roboternetz.de

Da treffen sich die Hobbybastler. Ich glaube nicht, das sich hier jemand mit Spielzeugmotoren auskennt.

Wir verwenden Motoren von
www.mitsubishi-automation.de
und von
http://www.maxonmotor.com/de/

bei beiden kannst Du einen Katalog runterladen.

Von der Technik her könnte Maxon was für Dich sein, da gibt es Servos von Erbsengröße an aufwärts. Die Steuerplatinen haben teilweise nur Briefmarkengröße.

[Ranx]

Frag mal hier:

www.roboternetz.de

Bereits erledigt, schau mal, was da zutage gefördert wurde:

<a href="http://www.youtube.com/v/3rLcUhxQ7m8&rel=0" target="_blank">http://www.youtube.com/v/3rLcUhxQ7m8&rel=0</a>


Was nimmt denn der für seinen, wenn auch extrem häßlichen (man beachte ddas Dienstmädchenoutfit !!) Roboter ?

Der wichtigste Link scheint allerdings dieser hier zu sein:

http://www.graffagnino.net/wwwpeart/

Man beachte die 19 ! Hz Schlagfrequenz, die der damit hinkriegt ! Und sogar Midi-gesteuert, wie von uns geplant. Allerdings pneumatisch, aber egal. es geht auf jeden Fall. und so wies aussieht, auch für erstmal kleines Geld.
Diese Pneumo-Module muss der (vergrößerte) Graupner RB-1000 nun als Handgelenke kriegen.

Bleibt nur noch die Frage, welche Servos kommen für die langsamen, aber großen Bewegungen der Ober- und Unterarmgelenke, sowie Kopf und Hüfte in Frage...daher vielen Dank auch für den Tip in Richtung Maxon !!  werd mir gleich mal den Katalog runterladen. Alternativ: Hätte vielleicht jemand von euch etwas passendes Gebrauchtes zu verkaufen ? Dann immer her damit...

Gruß + Dank für die sehr spontane Hilfe, 

Ranx

[Urmel]

Bereits erledigt, schau mal, was da zutage gefördert wurde:

http://www.youtube.com/watch?v=3rLcUhxQ7m8&mode=related&search=

Was nimmt denn der für seinen, wenn auch extrem häßlichen (man beachte ddas Dienstmädchenoutfit !!) Roboter ?

Sieht ja putzig aus. 

Aber an den Armen sieht man was ich vorhin meinte: Sie sind sehr leicht aufgebaut. Vielleicht über Seilzüge angetrieben und die eigentlichen Antriebe stecken im Körper ?

Der wichtigste Link scheint allerdings dieser hier zu sein:

http://www.graffagnino.net/wwwpeart/

Man beachte die 19 ! Hz Schlagfrequenz, die der damit hinkriegt ! Und sogar Midi-gesteuert, wie von uns geplant. Allerdings pneumatisch, aber egal. es geht auf jeden Fall. und so wies aussieht, auch für erstmal kleines Geld.
Diese Pneumo-Module muss der (vergrößerte) Graupner RB-1000 nun als Handgelenke kriegen.

Klar Pneumatik ist natürlich billiger als Motoren. Aber wohl nur für Bewegungen geeignet, die nur zwischen wenigen Stellungen hin und her wechseln. Wenn man beliebig positionieren will und verschiedene Geschwindigkeitsprofile fahren will, geht es wohl nicht.

Aber man kann viel mit Pneumatik machen. Auf der Motek (Messe in Sinsheim) gab es vor ein paar Jahren mal eine zweieinhalb Meter hohe Heuschrecke mit mehreren Dutzend pneumatischen Antrieben in Beinen, Flügeln, Fühlern usw. Leider fällt mir der Name der Firma nicht mehr ein.

Bleibt nur noch die Frage, welche Servos kommen für die langsamen, aber großen Bewegungen der Ober- und Unterarmgelenke, sowie Kopf und Hüfte in Frage...daher vielen Dank auch für den Tip in Richtung Maxon !!  werd mir gleich mal den Katalog runterladen.

Maxon kann Dir sicher auch Auskunft geben, welcher Motor für geeignet ist.

Bei Mitsubishi ist es schade, das die das Vertriebsbüro in Weiterstadt geschlossen haben. Da hättest Du ja quasi jemand vor Ort gehabt. Die Mitsubishi Motoren sind typische Drehstromservos, wie sie in Industrierobotern verwendet werden. Aber, meiner Meinung nach, für Deine Anwendung zu teuer. Du brauchst ja nicht nur die Motoren sondern auch Servoverstärker, eine Motion-SPS und musst die Getriebe noch woanders dazukaufen.

Grüße

   Urmel

[Urmel]

Aber an den Armen sieht man was ich vorhin meinte: Sie sind sehr leicht aufgebaut. Vielleicht über Seilzüge angetrieben und die eigentlichen Antriebe stecken im Körper ?

Habe mir gerade die Bilder auf roboternetz.de angesehen.

Offenbar ist Aisha im Prinzip schon wie ein Industrieroboter aufgebaut. Nur mit preiswerteren 12V DC Servos.

Hm,

je ein Dutzend Motoren, Verstärker und Getriebe. Dazu eine Positioniersteuerung die das alles verbindet. Also bei den genannten Herstellern dürfte das nicht in Dein Budget passen. 

Grüße
 
   Urmel

[Ranx]

Hast du dir das Video von dem Graupner RB-1000 angesehen ?   

http://www.graupner-robotics.de/flash/robotics_d.html


Ich meine, es ist schon erstaunlich, wie flüssig sich das Teil bewegt.  Ich würde erstmal nur einen einzigen Arm konstruieren wollen, der die Schlagbewegung relativ natürlich wiedergibt.  Der RB-1000 hat Digitalservos, ich weiß gar nicht ob da ein Getriebe schon mit dran ist...gibts die nicht einfach etwas größer ?

[Urmel]

In der Tat.

Es ist erstaunlich welchen Fortschritt es bei den kleinen Humanoiden in den letzten Jahren gegeben hat und zu welchem Preis man sowas jetzt anbieten kann.

Was die Servos angeht, ich bin Informatiker, kein Maschinenbauer. 

Wenn wir einen Servomotor z.B. als Zusatzachse für einen normalen Roboterarm brauchen, dann soll der natürlich wie der Roboter selber mehr als zehn Jahre rund um die Uhr laufen können. Und er muss natürlich zur Steuerung des Roboters kompatibel sein, es muss einen schnellen Ersatzteilservice geben, und und und ...

Da sucht man Motoren natürlich nach anderen Kriterien aus.

Im Baumarkt kriegst Du auch eine Schlagbohrmaschine für zehn Euro. Nur, erstens würde die keinen harten Baustelleneinsatz länger als ein paar Tage überleben und zweitens wirst Du es nicht schaffen selber eine für diesen Preis zu bauen, weil die Komponenten einzeln nicht erhältlich oder sauteuer sind.

Was in dem Graupner Roboter verbaut ist, ist wohl irgendwas aus dem Bereich Konsumelektronik. Keine Ahnung was das ist, wo man es einzeln bekommt und in welchen Größen man es kriegen kann. Sorry.

Wenn Du irgendwelche Infos zu den Komponenten des Roboters hast, insbesondere zum Rechner, würde mich das auch interessieren.

Grüße

  Urmel

[Ranx]

Ich werd da morgen mal anrufen und mich mal schlau machen...was ich dann rausgefunden habe, werd ich hier natürlich gleich posten !  Bis denn, 
Ranx

[Urmel]

Noch ein Nachtrag zu den Motoren:

Dir ist schon klar, dass das Drehmoment an den Gelenken nicht linear mit der Vergrößerung des Roboters wächst ?

Wenn Du z.B. einen Arm aus dem gleichen Material um den Faktor 5 verlängerst, muss der Antrieb nicht das 5-fache an Drehmoment liefern sondern eher das 25-fache.

Viel Erfolg

  Urmel

[Ranx]

Noch ein Nachtrag zu den Motoren:

Dir ist schon klar, dass das Drehmoment an den Gelenken nicht linear mit der Vergrößerung des Roboters wächst ?

Na klar, sonst hätt ich es mit Sicherheit nicht zum Dipl-Ing. geschafft  . Das gilt aber auch nur, wenn die Gewichtskraft des Armes als über die Armlänge konstante Linienlast angennommen werden kann. Bei linear steigender Linienlast z.B. würde der Momentenverlauf sogar kubisch werden usw.

Inwieweit dieses Gesetz auch für die Baugrößen und Preise der Motoren gilt, kann ich zum gegenwärtigen Zeitpunkt noch nicht abschätzen...da müsstest du mehr wissen.