Einleitung

R¹ Roboterprojekt Handbuch
α-Revision 0.012 | 15.05.2023
© Michael Metzger | office@roboterfabrik.at | www.roboterfabrik.at

WICHTIG

Dieses Handbuch unterliegt laufend Erweiterungen und Änderungen (siehe Datum und Revisionsnummer) es dient ausschließlich zur Projektübersicht. Jeder von mir dokumentierte Fortschritt und/oder Änderung wurde durch Erprobung und Tests von mir selbst verifiziert. Möglicherweise funktionieren manche Beschreibungen, Teile oder Geräte trotzdem nicht wie erwartet oder auch gar nicht, vielleicht gibt es auch bessere Lösungen. Eine Haftung für die Angaben kann in keiner Weise aus dieser Dokumentation abgeleitet werden.

Roboter Begriffsdefinition von Michael Metzger (2018)
Ein Roboter besteht aus mechatronischen Komponenten, Sensoren, Aktoren
und systemintegrierten Kontroll- und Steuerfunktionen um auf seine Umwelt
zu reagieren oder mit Akteuren oder Systemen zu interagieren.

Vorwort

Seit dem Jahr 2006 beschäftige ich mich mit der Grundsatzforschung zum Thema humanoider Roboter. Ein Roboter der eine menschenähnliche Statur hat, mit Armen und Beinen die auch noch entsprechenden Bewegungen ausführen können, sind nicht nur eine Herausforderung beim Bau, sondern auch bei der Programmierung. Dieser spezielle Zweig der Robotik erfordert interdisziplinäre Kenntnisse aus den Bereichen Mechanik, Elektronik und Informatik. Nach einigen Tests verschiedener Materialien habe ich mich entschieden für die mechanischen Teile ALU Profile und im 3D-Drucker additiv gefertigte Teile aus PLA Kunststoff, dies ermöglicht einerseits eine konsequente Leichtbauweise und ist andererseits kostengünstig in der Herstellung. Der 3D-Druck hat auch noch den Vorteil konstruktionsbedingte Bauteiländerungen sofort umzusetzen und ermöglicht auch die maßhaltige Reproduktion von Bauteilen in Kleinserie. Grundsätzlich richtet sich die komplette Erstellung des Roboters und seiner Einzelteile nach dem Lean Production Model um das Endziel den Bau eines Low Budget Roboters zu erreichen.

In diesem Handbuch wird der Bau des Roboter R¹ dokumentiert. R¹ ist ein humanoider Roboter aus Standardteilen die im Baumarkt oder Elektronikhandel erhältlich sind. Es wird auf Einfachheit der ganzen Konstruktion geachtet um einen Nachbau zu ermöglichen. Technisches Geschick und Interesse sowie Durchhaltevermögen werden Vorausgesetzt. Bei dem vorliegenden Handbuch handelt es sich um eine praxisnahe Dokumentation aufgrund der hohen Komplexität kann es vorkommen das Beschreibungen nicht mehr aktuell sind und selbstständig im Internet recherchiert werden müssen. Die Robotik setzt sich aus sehr unterschiedlichen Fachrichtungen zusammen, beispielweise der Informatik, genauer die Kenntnisse mit Betriebssystemen und Programmiersprachen. Die Mechanik, der Roboter benötigt ein Grundgerüst an dem alle Aktoren und Sensoren befestigt sind. Die Elektronik, Motoren und deren Steuerelektronik, Sensorik, Microprozessoren und die Verdrahtung der elektronischen Komponenten. Kenntnisse beim Konstruieren, die Verwendung von CAD Programmen und ein Grundwissen für den 3D Druck runden die interdisziplinären Anforderungen ab.

Projektbeschreibung

Der mechanische Aufbau des Roboters R¹ besteht aus 3D-Druckteilen und ALU Profilen. Mechanisch beanspruchte, bewegliche Teile sind kugelgelagert um den notwendigen Leistungsaufwand zu reduzieren. Als Antrieb werden Elektromotoren, die über ein Untersetzungsgetriebe Trapezgewindespindel antreiben, verwendet. Da diese Gewindespindeln selbsthemmend sind, bleiben auch bei Stromunterbrechungen, die bewegten Teile an Ort und Stelle und werden nicht unkalkulierbar an mechanische Endpunkte geführt. Das heißt in der Praxis, ist der Stromfluss unterbrochen, klappt der Roboter nicht in sich zusammen und fällt um, sondern er verharrt in der letzten angesteuerten Position. Natürlich gibt es auch Nachteile die nicht unerwähnt bleiben sollten, vor allem die Bewegungsgeschwindigkeit ist eingeschränkt dies wird aber zum Großteil wieder durch die Stellgenauigkeit kompensiert, Einschränkungen gibt es auch bei den konstruktionsbedingt erreichbaren Winkeln von Gelenken aber auch hier dürfen wir uns über eine teilweise Kompensation durch den ausgezeichneten Kraftschluss der Gewindespindel freuen. Um die Teile die im 3D-Druck hergestellt werden mechanisch zu stärken, werden sämtliche Gelenke mit Kugellager versehen. Somit wird eine ausgezeichnete Leichtgängigkeit erreicht und Scher- und Biegekräfte besser in die Konstruktion abgeleitet.

Zur Steuerung des Roboters wird ein Einplatinencomputer als Hauptrechner eingesetzt. Dieser versendet und empfängt Signale über ein Bussystem an weitere Mikrocontrollerboards die in verschiedenen Gruppen am Roboter verteilt sind und an denen verschieden Aktoren und Sensoren direkt angebunden sind. Dies gewährleistet durch eine vorgegebene Normierung die Austauschbarkeit von elektronischen Bauteilen oder Baugruppen. Somit können ganze Baugruppen, etwa bei einem Hardwareupdate, erneuert werden. Auch die Verfügbarkeit von passenden und vorgefertigten Bauteilen wir dadurch gesteigert.

Als Betriebssystem wird am Einplatinenrechner GNU/Linux eingesetzt dadurch wird die notwendige Flexibilität für Anpassungen des Betriebssystems erreicht. Da sich der Roboter in der direkten Umgebung des Menschen aufhält, wurde auch in Bezug auf Sicherheit und Datenschutz GNU/Linux ausgewählt. Auch lizenzrechtliche Gründe sprechen für dieses quelloffene Betriebssystem.

Die Steuerungsaufgaben übernehmen Raspberry Pi Microcomputer. Ein selbstgeschriebenes Programm gibt die Steuerungssignale an die Arduinos, diese steuern die Motoren und empfangen und verarbeitet die Signale der Sensoren. Der i2c Bus dient zur Signalübertragung im Roboter. Zwei Kameras dienen der Objekterfassung und die Bildverarbeitung werden ebenfalls durch Raspberry Pi durchgeführt.

Ich wünsche Ihnen viel Spaß beim Lesen oder beim Bau Ihres persönlichen Roboters

Michael Metzger