Während in der Technik fast ausschließlich Räder zur Fortbewegung eingesetzt werden, so bewegen sich in
der Natur viele Landtiere mit mindestens zwei Beinen. Der Grund dafür liegt auf der Hand: Beine lassen sich
flexibel an die Umgebung anpassen und versagen auch in unebenem Gelände nicht.
Die Steuerung des komplexen Laufapparates verläuft – wie auch beim Menschen – nahezu unbewusst. Zur Ko-
ordination der Beine und Orientierung im Gelände stehen Tieren dabei eine Vielzahl hoch entwickelter Sinne
zur Verfügung. Gerade diese Sinne und die nachfolgende Interpretation lassen sich in der Technik jedoch nur
schwer nachbilden. Daraus ergibt sich zwangsläufig ein Defizit in der Fähigkeit zur Orientierung und Bewe-
gungssteuerung einer künstlichen Laufmaschine.
Ich bin davon überzeugt, dass man längerfristig das Problem der Umwelterfassung und -interpretation bei Ro-
botern lösen wird. Daraus werden sich dann gänzlich neue Anwendungsgebiete für Roboter eröffnen, da es
nicht mehr notwendig ist, die gesamte Umgebung des Roboters fest einzuprogrammieren.
Zu Beginn der Entwicklung neuer “Sinne” für einen Laufroboter muss zunächst eine Basis geschaffen werden,
auf die dann neue Sensoren und Software aufbauen können. Einen solchen grundlegenden Roboteraufbau habe
ich als Projekt entwickelt und in dieser Arbeit dokumentiert. Der Gedanke einer flexiblen Plattform, die sich in
jeder Hinsicht gut erweitern lässt, ist durch die gesamte Arbeit hindurch zu finden.
Neben dem Hauptziel, eine Plattform zu entwickeln, soll mit dieser Arbeit auch die generelle Machbarkeit eines
solchen komplexen Projektes überprüft werden. Die zu bestätigende These ist also, wie gut – bei vorausgesetz-
ten, begrenzten zeitlichen und materiellen Ressourcen – ein solcher Roboter entwickelt werden kann.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Konzept
3 Mechanik
3.1 Entwicklungsziele
3.2 Ablauf der Planung
3.2.1 Verwendete CAD-Entwicklungswerkzeuge
3.2.2 Auswahl der Antriebsart
3.2.3 Auswahl der verwendeten Materialien
3.2.4 Befestigung der Servos
3.2.5 Konstruktion des ersten Beinabschnittes
3.2.6 Konstruktion des zweiten Beinabschnittes
3.2.7 Konstruktion des Fußabschnitts
3.2.8 Konstruktion des Fußes
3.2.9 Konstruktion des Körpers
3.3 Erster Prototyp
3.3.1 Änderungen
3.4 Ablauf des Baus
3.4.1 Nachbearbeitung der Aluminiumteile
3.4.2 Füße
4 Elektronik
4.1 Allgemeine Entwicklungsziele
4.2 Überblick
4.3 Mainboard
4.3.1 WLAN
4.4 Servoboard
4.4.1 Beschaltung der Sensoren an den Beinen
4.5 Powerboard
4.6 Grundlagen der Platinenlayouts
5 Software
5.1 Positionierung der Servos
5.2 Bewegungsinterpreter
5.3 Protokolle
5.3.1 Protokoll des Hauptcontrollers
5.3.2 Protokoll des Servocontrollers
5.4 Überblick
5.4.1 Hauptcontroller-Software
5.4.2 PC-Software
6 Fazit
6.1 Abschließende Bewertung
6.2 Ausblick
7 Verzeichnisse
A Bilder
B Abbildungen und Materialien
B.1 Mechanik
B.2 Elektronik
B.3 Software
Zielsetzung & Themen
Diese Arbeit dokumentiert die Entwicklung einer flexiblen, erweiterbaren Roboterplattform in Form eines sechsbeinigen Laufroboters, um die generelle Machbarkeit eines solchen komplexen Projekts unter begrenzten zeitlichen und materiellen Ressourcen zu prüfen.
- Mechanischer Aufbau und Konstruktion mittels CAD
- Dezentrale Elektronik-Architektur mit Mikrocontrollern
- Softwarebasierte Steuerung und Interpretation von Bewegungsabläufen
- Entwicklung von Kommunikationsprotokollen
- Konzeption einer PC-gestützten Benutzeroberfläche
Auszug aus dem Buch
3.1 Entwicklungsziele
Die Mechanik ist die Basis aller in den folgenden Kapiteln beschriebener Elemente des Roboters. Zu Beginn der Entwicklung der Mechanik gab ich mir einige nachfolgend beschriebene Ziele vor.
Wichtig bei der Entwicklung der Mechanik war mir eine hohe Funktionalität bei gleichzeitig einfach gehaltener Konstruktion. Wichtigster Bewertungsfaktor für die Konstruktion war das Gewicht, denn die Mechanik inklusive der Motoren machen einen beträchtlichen Teil des Gesamtgewichts des Roboters aus. Daher galt es, möglichst viel Gewicht durch eine geeignete Konstruktion und durch leichte Materialien einzusparen, denn der gesamte Roboterkörper muss von den Motoren gehalten werden. Ein hohes Gewicht zieht also auf jeden Fall die Verwendung stärkerer Motoren nach sich, die dann wiederum das Gewicht sowie die Kosten erhöhen. Während der Konstruktionsphase musste daher immer die Waage zwischen Gewicht, Motorkraft und auch den Kosten gehalten werden.
Damit das Drehmoment der Motoren nur geringfügig durch Reibung an den Lagern vermindert wird, sollten die Gelenke des Roboters gut gelagert werden. In diesem Zusammenhang muss auch die Länge der Beine günstig gewählt werden, da jeder Beinabschnitt einen Hebel am Motor darstellt und so die Hebekraft der Beine bestimmt. Andererseits läuft ein Roboter mit längeren Beinen schneller. Ein Kompromiss zwischen der Hebekraft des Beins sowie der Laufgeschwindigkeit musste daher gefunden werden.
Nicht zu vergessen ist auch eine für den Laufbetrieb ausreichende Stabilität der Gesamtkonstruktion. Auf der anderen Seite sollte die Konstruktion einfach gehalten werden, um die Kosten durch die Verwendung ausgefallener Materialien und komplizierter Materialbearbeitungsverfahren nicht in die Höhe zu treiben.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Beschreibt die Motivation zur Entwicklung des Roboters sowie das Ziel, eine flexible Plattform zu schaffen und die Machbarkeit des Projekts zu prüfen.
2 Konzept: Erläutert den Aufbau des sechsbeinigen Roboters und das dezentrale hierarchische Steuerungskonzept mittels vernetzter Mikrocontroller.
3 Mechanik: Detailliert die konstruktive Entwicklung der Roboterbeine und des Körpers mit Fokus auf Gewichtsoptimierung, Materialwahl und CAD-Planung.
4 Elektronik: Beschreibt die Entwicklung der drei zentralen Platinen Mainboard, Servoboard und Powerboard sowie die Schnittstellen zur Ansteuerung und Sensorik.
5 Software: Erläutert die Programmierung der Servocontroller, den Bewegungsinterpreter für Skripte sowie die Protokolle zur PC-Kommunikation.
6 Fazit: Bewertet den Erfolg des Projekts und die erreichte Funktionalität des Roboters als Entwicklungsplattform für zukünftige Aufgaben.
7 Verzeichnisse: Enthält das Literaturverzeichnis der verwendeten Quellen.
A Bilder: Dokumentiert das Gesamtsystem und verschiedene Details durch Fotomaterial.
B Abbildungen und Materialien: Stellt Schaltpläne, CAD-Zeichnungen und technische Referenztabellen für die verschiedenen Baugruppen bereit.
Schlüsselwörter
Laufroboter, sechsbeinig, Mechanik, Mikrocontroller, Servomotor, Elektronik, Software, I2C-Bus, CAD-Konstruktion, ARM7, WLAN, Bewegungsinterpreter, Sensortechnik, Prototyping, Robotik
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und dem Bau eines sechsbeinigen Laufroboters als flexible und erweiterbare Forschungsplattform.
Welche zentralen Themenfelder werden abgedeckt?
Die Schwerpunkte liegen auf der mechanischen Konstruktion, der elektronischen Hardwareentwicklung mit dezentralen Controllern und der softwareseitigen Bewegungssteuerung.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das Hauptziel ist die Realisierung der Roboterplattform sowie die Überprüfung der generellen Machbarkeit eines solchen komplexen Projekts unter begrenzten Ressourcen.
Welche wissenschaftlichen Methoden finden Anwendung?
Es werden Methoden des systemorientierten Engineerings, CAD-gestützte Konstruktionsverfahren, empirische Tests sowie eine softwareseitige Implementierung hierarchischer Kommunikations- und Steuerungsprotokolle verwendet.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die Bereiche Mechanik (Aufbau und Kinematik), Elektronik (Mainboard, Stromversorgung, Ansteuerung) und Software (Interpreter, Kommunikation, PC-Interface).
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die zentralen Begriffe sind Laufroboter, dezentrale Steuerung, Servomotor, I2C-Bus, mechanische Konstruktion und Software-Entwicklung.
Warum wurde ein dezentraler Aufbau der Elektronik gewählt?
Ein dezentraler Aufbau ist bei 18 Motoren vorteilhaft, da so spezialisierte Mikrocontroller Funktionen selbstständig übernehmen können, was die höhere Hierarchieebene (Hauptcontroller) entlastet.
Welche Herausforderung stellte die Konstruktion der Beinabschnitte dar?
Die größte Herausforderung war die Balance zwischen Gewicht, mechanischer Stabilität und der notwendigen Motorkraft, um das Gewicht des Roboters auf drei Beinen halten zu können.
Wie erfolgt die Kommunikation zwischen dem PC und dem Roboter?
Die Kommunikation findet kabellos über eine WLAN-Schnittstelle statt, wobei ein speziell entwickeltes Protokoll für die Datenübertragung zwischen dem PC und dem Hauptcontroller definiert wurde.
- Arbeit zitieren
- Matthias Schnaubelt (Autor:in), 2008, Entwicklung eines sechsbeinigen Laufroboters, München, GRIN Verlag, https://www.hausarbeiten.de/document/231072
