Entwicklung und Bau eines Greifers für einen autonomen Roboter · 4 1 Einleitung 1.1 Zielstellung dieser Examensarbeit Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und Herstellung

Entwicklung und Bau eines Greifers

für einen autonomen Roboter

Hausarbeit zur Ersten Staatsprüfung für die Sekundarstufe I

Themensteller: Prof. Dr. Chr. Hein (Institut für Technik und ihre Didaktik)

Verfasser: Thomas Weber

Datum: 21.12.2006

2

Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis .................................................................................................. 2

1 Einleitung....................................................................................................... 4

1.1 Zielstellung dieser Examensarbeit......................................................... 4

1.2 Methoden ............................................................................................... 7

1.3 Ergebnisform ......................................................................................... 8

2 Ausgangssituation.......................................................................................... 9

2.1 Merkmale eines Greifers ....................................................................... 9

2.2 Roboterarme .......................................................................................... 9

2.2.1 Stationäre Greifarme.................................................................... 10

2.2.1.1 Industrieroboter ....................................................................... 10

2.2.1.2 Schulungsroboter ..................................................................... 11

2.2.2 Mobile Greifarme ........................................................................ 13

2.2.2.1 Nasa Spirit ............................................................................... 13

2.2.2.2 Baufahrzeuge ........................................................................... 14

2.2.3 Zusammenfassung Arme ............................................................. 16

2.3 Roboterhände....................................................................................... 17

2.3.1 Hände mit zwei, drei, vier und fünf Fingern ............................... 18

2.3.2 Hände in Form von Greifzangen ................................................. 21

2.3.3 Zusammenfassung Hände............................................................ 22

2.4 Auswertung.......................................................................................... 23

2.5 Das FinRay-Prinzip ............................................................................. 25

2.6 Ergebniszusammenfassung.................................................................. 26

3 Entwicklung des Greifers ............................................................................ 27

3.1 Erstes Modell zum Funktionsprinzip................................................... 27

3.2 Bestimmung einzelner Elemente ......................................................... 29

3.2.1 Führungsschienen und Spindelantrieb......................................... 30

3.2.2 Motoren ....................................................................................... 33

3.2.3 Wellen, Zahnräder, Kugellager.................................................... 35

3.2.4 Greifhand nach dem FinRay-Prinzip........................................... 36

3

4 Konstruktion des Greifers............................................................................ 39

4.1 Anbringung der Führungsschienen...................................................... 39

4.2 Zusammenfügung der Elemente der Greifhand................................... 40

4.3 Montage der Greifhand an die Führungsschienen............................... 43

4.4 Installation der Motoren ...................................................................... 45

5 Zusammenfassung und Weiterentwicklung................................................. 46

5.1 Testbericht ........................................................................................... 46

5.2 Fazit ..................................................................................................... 49

5.3 Perspektiven......................................................................................... 50

6 Anhang......................................................................................................... 53

6.1 Datenblätter Fertigelemente................................................................. 53

6.2 Technische Zeichnungen ..................................................................... 57

Literaturverzeichnis ............................................................................................. 65

Abbildungsverzeichnis ........................................................................................ 68

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1 Einleitung

1.1 Zielstellung dieser Examensarbeit

Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und Herstellung eines Greifers für

einen autonomen Roboter. Dieser Roboter soll später am Institut für Technik und

ihre Didaktik in einem neu entstehenden Seminar zur Robotertechnik zum

Einsatz kommen. Dort werden Studenten die Möglichkeit bekommen, den

Roboter zu programmieren und weiter zu entwickeln. Dazu wird der Roboter

insgesamt so konstruiert, dass keine festen Verbindungen in Form von zum

Beispiel Schweißnähten verwendet werden. Sämtliche Verbindungen sind

geschraubt. Dadurch ist es jederzeit möglich, ihn in seine einzelnen

Komponenten zu zerlegen. Dies gewährleistet später ein besseres Verständnis

der Funktionsweise. Außerdem erlaubt die gewählte Art der Konstruktion ein

einfaches Austauschen der einzelnen Elemente, um ihn ständig weiter entwickeln

beziehungsweise verbessern zu können.

Die komplette Entwicklung des gesamten Roboters verteilt sich dabei auf

insgesamt vier Examensarbeiten:

- Die erste Examensarbeit befasst sich mit der Entwicklung und dem Bau

des Grundgerüstes und zugleich des Fahrwerkes mitsamt den beiden

Antriebsmotoren. In dieser Arbeit wird außerdem auch schon die

Anbringung und Verwendung der Ultraschallsensoren mit

eingeschlossen. Diese sind nötig, damit der Roboter sich autonom

bewegen und selbstständig wahrgenommenen Gegenständen ausweichen

kann. Autonom bedeutet in diesem Fall, dass er dabei nicht mehr auf eine

Verbindung zu einem externen Computer zur Steuerung angewiesen ist,

da diese Aufgaben von einem Mikrocontroller übernommen werden.

Dieser befindet sich ebenso direkt auf dem Roboter wie die zur

Stromversorgung für die Motoren und den Mikrocontroller benötigten

Akkus.

5

- Die zweite, die hier vorliegende Examensarbeit, ist für die Entwicklung

und den Bau eines Greifers verantwortlich. Dieser ermöglicht es dem

Roboter, mit seiner Umwelt zu agieren, indem er Gegenstände greifen

und anheben kann.

- Die dritte Examensarbeit umfasst die Verwendung einer Kamera und die

Auswertung der Bilder, die sie liefert. Erst dadurch bekommt der Roboter

die Fähigkeit, wirklich mit seiner Umwelt zu interagieren. Die bereits

erwähnten Ultraschallsensoren können lediglich dazu dienen, dass der

Roboter nicht mit Gegenständen zusammen stößt. Die Kamera wird es

aber ermöglichen, Gegenstände als solches anhand ihrer Form und Farbe

zu erkennen.

- Die vierte und abschließende Examensarbeit behandelt die Steuerung des

Roboters mittels eines Mikrocontrollers und die Entwicklung eines dazu

passenden Programms. Sämtliche einkommende Daten von den

Ultraschallsensoren und dem Kamerabild müssen dabei ausgewertet

werden. Je nach Situation hat das Programm dann dementsprechend die

Motoren des Fahrwerks oder die des Greifers anzusteuern.

Die Programmierung des Roboters, eine Betrachtung der Konstruktionsweise

sowie auch eine eventuelle Zerlegung in seine einzelnen Elemente, wird es den

Studenten ermöglichen, einen Einblick in mehrere Teilgebiete des Fachs Technik

zu erlangen.

Die Auswahl und Verwendung der an mehreren Stellen benötigten Zahnräder

setzt zum Beispiel ein Verständnis der Getriebelehre voraus. Bei der

Verwendung der Motoren spielt der Begriff Drehmoment eine wichtige Rolle.

Dies sind Begriffe, die in dem Teilgebiet Mechanik behandelt werden.

Die Verwendung von leistungsstarken Motoren und die Versorgung des

Mikrocontrollers mit Strom machen es nötig, sich mit Themen der Energie- und

Elektrotechnik auseinander zu setzten. Schließlich muss nicht nur eine

Energiequelle vorhanden sein, die die nötige Spannung liefert. Es muss ebenfalls

bedacht werden, dass diese dem Roboter über eine bestimmte Zeit zu Verfügung

stehen muss.

6

Die gesamte Steuerung es Roboters erfolgt letztlich über ein selbst erstelltes

Programm. Steuerung und Programmierung sind klassische Elemente der

Informationstechnik.

Inzwischen hat sich aus der Verbindung und dem Zusammenspiel der drei

Disziplinen Mechanik, Elektrotechnik und Informatik die Mechatronik

entwickelt.

„Die Mechatronik beschäftigt sich interdisziplinär mit dem Zusammenwirken

mechanischer, elektronischer und informationstechnischer Systeme.

Der Begriff Mechatronik (Mechanical Engineering-Electronic Engineering) ist

ein Kunstwort. Er wurde ab 1969 von der japanischen Firma Yaskawa Electric

Cooperation geprägt und findet seinen Ursprung in der Feinmechanik. Später

kam die Informatik als neue Kerndisziplin hinzu.“1

Eine intensive Beschäftigung mit dem Roboter wird den Studenten

verdeutlichen, wie stark die einzelnen Bereiche in dem Falle des vorliegenden

Roboters zusammenhängen. Aber auch, dass einzelne Komponenten ebenso stets

separat betrachtet werden können.

So ist es zum Beispiel möglich, die einzelnen Motoren des Roboters auch direkt

mit einer Spannungsquelle zu versorgen, um ihre Funktion zu überprüfen. Dafür

ist die Ansteuerung über den Mikrocontroller nicht nötig. Andererseits kann auch

das Steuerungsprogramm isoliert betrachtet werden. Es ist dabei nicht zwingend

notwendig, den Roboter wirklich mit dem Mikrocontroller zu verbinden. Eine

rein theoretische Überprüfung des Programms auf seine Struktur und

Funktionsweise ist ebenso denkbar.

Allerdings wird erst durch die Betrachtung des Zusammenspiels aller

Teilbereiche und ihrer einzelnen Komponenten ein umfangreicher Einblick in

den Bereich Roboterentwicklung bzw. Mechatronik gewährleistet.

1 http://de.wikipedia.org/wiki/Mechatronik

7

1.2 Methoden

Vor der Entwicklung des Greifers steht zuerst der Entscheidungsprozess, wie er

überhaupt beschaffen sein und aussehen soll. Dazu werden verschiedene Greifer,

die überwiegend in der Industrie eingesetzt werden, in Betracht gezogen. Aber

auch Robotermodelle aus der Forschung und noch weiteren Bereichen werden

auf ihre Umsetzungsmöglichkeit für dieses Projekt überprüft.

Dabei muss zu Beginn erst einmal geklärt werden, was für einen Gegenstand der

Greifer heben können soll. Wichtige Attribute sind hierbei Größe, Gewicht,

Form und Festigkeit. Es wird festgelegt, dass das Gewicht des zu hebenden

Gegenstands bis zu ca. 500 Gramm betragen kann. Wenn möglich, soll der

Greifer in der Lage sein, Gegenstände von unterschiedlicher Form und Größe zu

fassen.

Als Testgegenstände dienen während der Entwicklung ein roter Zylinder aus

Aluminium sowie ein roter Ball aus Plastik. Diese beiden Gegenstände können

im momentanen Entwicklungsstadium der Bilderkennung der angebrachten

Kamera gut von ihrer Umgebung unterschieden werden. Daher soll es dem

Greifer primär möglich sein, diesen Zylinder und Ball anzuheben.

Die verschiedenen Greifarme werden zuerst einzeln vorgestellt. Danach werden

sie miteinander verglichen und auf ihre generellen Vor- und Nachteile hin

untersucht. Dabei wird überprüft, ob sie in der Lage wären, Ball oder Zylinder zu

heben. Und ob ihr Konzept für diesen Roboter umgesetzt werden kann.

Aufgrund der gewonnenen Erkenntnisse kann anschließend ein erster schlichter

Prototyp aus Lego entworfen werden. Dieser soll die allgemeine Funktionsweise

des Greifers simulieren. Das dort entwickelte Prinzip wird dann in technische

Zeichnungen für den konkreten Bau des Greifers umgesetzt.

Bei dieser Umsetzung steht neben der Wahl der passenden Materialien auch die

Berechnung der zu verwendenden Motoren aus. Außerdem werden geeignete

Fertigbauteile wie Führungsschienen und passende Zahnräder ermittelt. Dabei

wird auf zwei wichtige Aspekte großen Wert gelegt:

8

- Erstens sollen die zu verwendenden Fertigelemente nicht den finanziellen

Rahmen dieser Arbeit sprengen. Daher muss von Spezialanfertigungen

aus der Industrie abgesehen und nach passenden Alternativen gesucht

werden.

- Zweitens soll die Anfertigung der verbleibenden Teile sowie die gesamte

Konstruktion des Greifers so einfach wie möglich gehalten werden, um

ihn leicht nachbauen aber auch verändern zu können. So erspart z.B. die

Verwendung von preisgünstigen Fertigelementen wie Lagerböcken den

Einsatz einer Drehmaschine, die ansonsten für eine eigene Herstellung

dieser Elemente nötig wäre.

1.3 Ergebnisform

Das Ergebnis neben dem fertig gestellten und funktionsfähigen Greifarm ist

diese vorliegende Examensarbeit. Sie dokumentiert die im Vorfeld getroffenen

Überlegungen, die Entwicklung sowie Herstellung des Greifarms. Außerdem

enthält sie sämtliche technische Zeichnungen, die zum Nachbau erforderlich

sind. Eine Auflistung mit technischen Daten und Bezugsquellen der verwendeten

Fertigelemente liegt ebenfalls bei.

9

2 Ausgangssituation

2.1 Merkmale eines Greifers

Wie sieht ein Greifer aus? Gibt es wesentliche Merkmale, die ihn zu einem

Greifer machen? Diese allerersten Überlegungen führen zu der Erkenntnis, dass

man wohl jeden Greifer bzw. Greifarm in die beiden grundlegenden Elemente

Arm und Hand unterteilen kann.

Dabei übernimmt die Hand die Funktion, einen beliebigen Gegenstand

festzuhalten – zu greifen. Der Arm dient dazu, die Position bzw. Lage des

gegriffenen Gegenstandes zu verändern. Bei der Betrachtung der folgenden

Beispiele wird also darauf geachtet, wie diese beiden Funktionen technisch

realisiert werden können.

In den meisten Fällen hängen bei Robotern die beiden Teilelemente Greifhand

und Arm zusammen. Es kann aber auch vorkommen, dass ein Arm anstelle einer

Greifhand mit einem anderen Werkzeug versehen ist. So kann sich am Ende

eines Armes beispielsweise eine Vorrichtung zum Schweißen, Kleben,

Schneiden etc. befinden.

Denkbar sind auch Greifhände ohne Arm. Diese müssten sich dann direkt an

dem Grundgerüst eines Roboters oder an einem Fahrwerk befinden.

Im Folgenden werden Arme und Greifhände getrennt auf ihre Eignung für die

Umsetzung hin untersucht.

2.2 Roboterarme

Generell kann man die Art der Roboter mit einem (Greif-) Arm auch noch in

stationäre und mobile Roboter unterteilen. Stationäre (Greif-) Arme sind

beispielsweise solche, die für einen Herstellungsprozess in einer Fabrik fest

montiert sind und ständig die gleichen Abläufe vornehmen. Mobile Varianten

von (Greif-) Armen können sich auf Fahrzeugen befinden und kommen für die

verschiedensten Aufgaben in Betracht.

10

2.2.1 Stationäre Greifarme

2.2.1.1 Industrieroboter

Eine große Auswahl von Roboterarmen lässt sich in der Produktion von

verschiedensten Gegenständen als Industrieroboter vorfinden. Abbildung 1 zeigt

ein typisches Beispiel für das Aussehen eines Solchen. Obwohl diese

Industrieroboter das unterschiedlichste Aussehen bezüglich Größe oder Form

haben können, haben sie alle grundlegend gemeinsame Eigenschaften.

„Sie bestehen im Allgemeinen aus dem Manipulator, der Steuerung und einem

Effektor wie Werkzeug oder Greifer. Oft werden Roboter auch mit verschiedenen

Sensoren ausgerüstet. Einmal programmiert ist eine solche Maschine in der

Lage, einen Arbeitsablauf autonom durchzuführen.“2

Abbildung 1: Industrieroboter3

2 http://www.tk-logo.de/basics/forschung-technik/rmenue.php3?li=ba-forsch-roboter.html 3 http://www.math.uni-bremen.de/zetem/projekte2004/robotersteuerung/industrieroboter.html

11

Oft wird eine große Anzahl von Industrierobotern entlang eines Fließbands so

hintereinander aufgebaut, dass sie zusammen eine Fertigungsstrecke bilden.

Abbildung 2 zeigt dies an einem Bespiel aus der Automobilherstellung.

Abbildung 2: Fertigungsstrecke mit Industrierobotern im Einsatz4

Dabei können diese Industrieroboter eine ganze Reihe von unterschiedlichen

Aufgaben übernehmen. Je nachdem welcher Effektor sich am Ende des Armes

befindet führen sie standardisierte Aufgaben wie Schweißen, Schrauben, Kleben,

Löten oder Schneiden aus. Sie können aber auch solche Anwendungen wie

Entgraten oder Lackieren übernehmen. Befindet sich am Ende des Armes ein

Greifer, dienen sie für Be- und Entladeaufgaben, zum Palettieren oder

Kommissionieren.

2.2.1.2 Schulungsroboter

Vorbilder für den Bau eines Greifers lassen sich aber nicht nur an Beispielen von

Industrierobotern finden. So gibt es auch Greifer in Form von Robotern, die für

Schulungszwecke konzipiert sind. An diesen soll, wie an dem für diese

Examensarbeit zu entwickelnden Greifer, die generelle Funktionsweise

verdeutlicht werden. Außerdem können sie mit passender Software frei

programmiert werden, um diverse Beispielaufgaben zu übernehmen. Die

4 http://newsfoxx.de/2395/Bild/Industrieroboter-im-Einsatz.html

12

Abbildung 3 zeigt das Beispiel eines solchen Schulungsroboters, der beim

Fachhändler „Technik LPE“5 unter der Bestellnummer 71 301.369.001 erhältlich

ist.

Abbildung 3: Schulungsroboter6

Die Beschreibung im Onlinekatalog liefert folgende Informationen:

Dieser Schulungsroboter ist ein sechs- Achs- Knickarm- Roboter. Seine Gelenke

sind kugelgelagert. Eine präzise Ansteuerung erfolgt durch den Antrieb über

Schrittmotoren sowie angeflanschte Getriebe. Die Motoren befinden sich auf

einem kugelgelagerten Drehteller im Gehäuseinneren, um den Schwerpunkt

niedrig zu halten. Die Kraftleitung findet mittels Zahnriemen und Übersetzungen

statt. Die Wellen sind ebenso kugelgelagert. Die Drehung des Aufbaus erfolgt

per Zahnriemen und Ritzel. Die Greifhand wird mit einem direkt angeflanschten

Schrittmotor angetrieben. Die Drehung der Hand erfolgt über ein

Kegelradgetriebe.7

5 http://www.technik-lpe.de/ 6 http://technik-lpe.info/kataloge/multimedia.pdf 7 Vgl. http://technik-lpe.info/kataloge/multimedia.pdf

13

2.2.2 Mobile Greifarme

Greifer müssen aber nicht immer stationär angebracht sein. Sie können in

Verbindung mit einem Fahrwerk auch zu mobilem Einsatz kommen. Im

Folgenden werden zwei Fahrzeuge vorgestellt, bei denen dies der Fall ist.

2.2.2.1 Nasa Spirit

Ein Beispiel für einen Greifer auf einem Fahrwerk ist der „Nasa Spirit“.

Abbildung 4 zeigt eine Computer-Animation von diesem Roboter.

Er ist in der Lage, sich autonom auf dem Mars zu bewegen. Dazu hat er als

Sensoren unter anderen zwei Kameras, die ihm dreidimensionale Bilder liefern

und so eine Wahrnehmung der Umwelt ermöglichen. Er kann Gegenstände

erkennen und ihnen ausweichen bzw. sie greifen. Außerdem ist sein Fahrwerk

geländegängig konstruiert und hat eine integrierte Solarzelle zur

Energieversorgung. Der Greifer ist vorne am Fahrzeug angebracht und verfügt

über drei Gelenke.

Abbildung 4: Nasa Spirit8

Somit ist dieser Roboter eine Hightech-Version von dem, was aus dem

Zusammenspiel der bereits erwähnten vier Examensarbeiten entstehen soll.

8 http://www.handelsblatt.com/news/Default.aspx?_p=203116&_t=ft&_b=779692&grid_id= 1083940

14

2.2.2.2 Baufahrzeuge

Weitere Beispiele für den Einsatz von mobilen (Greif-) Armen lassen sich bei

verschiedenen Baufahrzeugen vorfinden. Abbildung 5 zeigt einen Bagger. Der

Arm des Baggers befindet sich auf dem Fahrgestell mit Kettenantrieb. In diesem

Fall handelt es sich um einen Arm mit vier Achsen. Vergleicht man diesen Arm

mit dem menschlichen Vorbild, könnte man seine Gelenke als Pendants zu

Hand-, Ellenbogen- und Schultergelenk betrachten. Dabei benötigt das

Schultergelenk zwei Achsen. Eine für das Einknicken, die andere für die

Rotation.

Gegenüber einem sechs- Achs- Knickarm fehlen hier zwei Gelenke bzw.

Achsen: Erstens die Achse für die Rotation des Handgelenks und zweitens ein

Gelenk für den Greifmechanismus. Diese Achsen können bei einem Bagger

entfallen, da er mittels Einknickens seiner Hand, in diesem Falle ist dies eine

Schaufel, in der Lage ist, etwas zu greifen. Die Rotation der Schaufel ist auch

nicht notwendig. Somit dient der Bagger als ein Beispiel dafür, einen Greifarm

auch mit weniger als sechs Achsen realisieren zu können.

Abbildung 5: Baggerarm mit vier Achsen9

9 http://www.ig-modellbau.de/Vorschau/WernerStegmair/Bagger.jpg

15

Mit noch weniger Achsen als ein Bagger kommt der Arm eines Gabelstaplers

aus. Dieser ist im Prinzip nur in der Lage, mit seinem Arm etwas anzuheben. Die

Funktion des Armes in Form von Veränderung der Position übernimmt hierbei

letztlich das Fahrwerk. Dabei ist der Gabelstapler primär dafür ausgerichtet, mit

seiner Gabel unter Paletten zu greifen, um diese anzuheben. Da sich diese

Paletten jedoch in ihrer Form und Größe unterscheiden, muss er den Abstand

seiner beiden Zangen der Gabel verändern können. Dieser Mechanismus kann

dabei in begrenztem Maße ebenso dazu genutzt werden, um etwas zu greifen.

Indem er Gegenstände, welche fest genug sein müssen, zwischen seinen Zangen

einklemmt, kann er sie anschließend auch anheben.

Sieht man von der Möglichkeit ab, dass der Gabelstapler seinen Gabelbaum noch

nach vorne und hinten kippen kann, kommt er also im Prinzip mit zwei Achsen

aus, um seine Aufgaben zu erfüllen.

Abbildung 6: Gabelstapler10

Bei einem Gabelstapler wie in Abbildung 6 wird die Bewegung des Arms nicht

durch Rotation in einem Gelenk ausgeführt. Bei dieser Art von (Greif-) Arm

erfolgt die Bewegung linear entlang von Führungsschienen. Die benötigte Kraft

wird vom Motor über eine Kette auf die Gabel übertragen. 10 http://www.hinrichs-stapler.de/detail/diesel/D2556_Toyota_4_Rad_Frontstapler_Toyota_02-7FDA50.htm

16

2.2.3 Zusammenfassung Arme

Wenn man die Ergebnisse der oben betrachteten (Roboter-) Arme untersucht,

können folgende allgemeine Aussagen gemacht werden:

Der klassische, dem menschlichen Arm nachempfundene, Roboterarm besteht

aus vier bzw. sechs Gelenken. Jeweils ein Gelenk für Schulter-, Ellenbogen- und

Handgelenk. Diese Gelenke übernehmen die Funktion des Einknickens. Für die

Rotation im Schultergelenk ist ein weiteres Gelenk erforderlich. Abbildung 7

zeigt eine schematische Darstellung der Gelenke und Bewegungsrichtungen in

einem (Roboter-) Arm.

Abbildung 7: Schematische Gelenke-Darstellung eines (Roboter) Arms11

Wenn man am Ende des Arms noch eine Hand anmontiert, kommen zwei

weitere Gelenke hinzu. Eines für die Drehung der Hand, das andere für den

Greifmechanismus. Deswegen war bei dem bereits oben beschriebenen

Schulungsroboter auch von einem sechs- Achs- Knickarm- Roboter die Rede.

Ein vollständiger, dem menschlichem Arm nachempfundener, Greifarm würde

also sechs Motoren und Gelenke benötigen.

Die Betrachtung der (Greif-) Arme der Baufahrzeuge zeigt allerdings, einen voll

funktionsfähigen (Greif-) Arm auch mit weniger Achsen und Motoren realisieren

zu können. Wichtig ist dabei die Frage, was der Roboter greifen können soll.

11 http://www.tu-ilmenau.de/fakia/Aufgabenstellung_200.4426.0.html

Die obige Abbildung zeigt im rechten Bild noch eine weitere Bewegungsrichtung in horizontaler

Ebene entlang von Führungsschienen, die für unsere Betrachtung aber keine Rolle spielt.

17

Des Weiteren lässt sich festhalten, dass Schrittmotoren eine gute

Lösungsmöglichkeit bieten, um eine präzise Gelenkstellung zu erreichen. Sie

sind je nach Bauart in der Lage, sich auf den Grad genau um einen vorgegebenen

Winkel zu drehen.

Außerdem geben die betrachteten (Roboter-) Arme Informationen über eine

mögliche Positionierung der Motoren. Diese können sich entweder direkt in den

Gelenken befinden; es ist aber auch möglich, sie an anderer Stelle zu montieren

und die Kraft per Zahnriemen, Kette oder Zahnrädern zu übertragen. Dies kann

insofern von Vorteil sein, um das Gewicht des Arms so gering wie möglich zu

halten.

2.3 Roboterhände

„Hände sind unerlässlich für einen Roboter, wenn er seine Arme gebrauchen

will, um etwas zu greifen. Je nach Aufgabe kann eine Roboter-Hand zwei, drei,

vier oder fünf "Finger" haben. (…)

Manche "Finger" von Robotern sind recht einfach gestaltet. Einige haben, wie

unsere Finger, mehrere Gelenke, um noch feiner greifen zu können.

Dies ist z.B. notwendig, wenn der Roboter etwas greifen will, was nicht speziell

für Roboter entwickelt wurde, also z.B. ein Ei oder eine Erdbeere.“12

Da als Ergebnis dieser Examensarbeit ein funktionierender Greifer entstehen

soll, ist die Konstruktion einer angemessenen Greifhand zwingend erforderlich.

Aus diesem Grund erfolgt nun eine Betrachtung verschiedener Greifhände. Diese

werden sie in Bezug auf ihre Umsetzungsmöglichkeit und Eignung für den

Roboter ausgewertet.

Die Bilder auf der nächsten Seite sollen dabei erst einmal eine Übersicht darüber

geben, wie solche Hände mit Fingern überhaupt aussehen können.

12 http://www.robowelt.de/1tech/3grundbau/34haende.htm

18

2.3.1 Hände mit zwei, drei, vier und fünf Fingern

Abbildung 8: Hände mit zwei und drei Fingern13

Abbildung 9: Hände mit vier Fingern14

Abbildung 10: Hände mit fünf Fingern15

13 http://www.robowelt.de/1tech/3grundbau/34haende.htm 14 Ebd.

19

Die Bilder verdeutlichen, dass mit zunehmender Anzahl der Finger die Hand

immer mehr dem menschlichen Vorbild angepasst wird. Des Weiteren ist die

Mechanik mit zunehmender Fingerzahl ebenfalls immer aufwendiger.

Wie bereits bei den vorgestellten Armen befinden sich auch bei den Händen die

Motoren zur Kraftübertragung nicht immer direkt in den Gelenken. Ähnlich wie

bei den Sehnen beim Menschen kann die komplizierte Kraftübertragung um die

Kurve per Seilzug wie bei einer Fahrrad-Handbremse erfolgen.

Die Hände können aber auch mit Pneumatik funktionieren. Dazu werden entlang

der Finger Schläuche gelegt, die mit Druckluft angesteuert werden können. Je

nachdem, ob sie mit Luft gefüllt werden oder nicht, geht die Hand auf bzw. zu.

Diese Roboter können einem Menschen die Hand geben, ohne ihn zu verletzen.

Als nachteilig erweist sich aber die ungenaue Steuerungsmöglichkeit von

pneumatischen Händen.

Wenn nicht Luft, sondern Flüssigkeit in den Schläuchen fließt, nennt man das

Hydraulik. Der Vorteil dabei ist, dass wesentlich größere Kräfte übertragen

werden können. Dies liegt daran, dass Fluide im Gegensatz zu Gasen wie zum

Beispiel Luft inkompressibel sind. Baustellenbagger funktionieren hydraulisch,

da sie über große Kraft verfügen müssen.16

Wesentlich komplizierter als der reine Greifmechanismus ist allerdings die

Erfüllung der Aufgabe, ein und denselben Greifer auf Objekte verschiedener

Form und Größe anzupassen. Diese Anpassung kann mit Kraftmesssensoren

erfolgen, welche in die Hand eingebaut werden und eine Rückmeldung an das

Steuerungsprogramm liefern.

Die oben bereits gezeigte Hand mit fünf Fingern ist Teil des Roboters

„Robonaut“. Dieser „hat zwei Hände, die so stark, groß und geschickt sind wie

die eines Astronauten mit Handschuhen. (...)

Somit braucht man für den Robonauten keine extra Werkzeuge oder Verschlüsse

zu entwickeln. Die ROBONAUT-HAND hat fünf Finger, die er mit speziellen

Servomotoren und Seilzügen bewegt.“17

15 Ebd. 16 Vgl. http://www.robowelt.de/1tech/3grundbau/34haende.htm 17 http://www.robowelt.de/1tech/3grundbau/34haende.htm

20

Abbildung 11: Der Robonaut18

Die Entwicklung einer solchen Hand ist aber nicht nur sehr aufwendig, sondern

auch kostenintensiv. Im Falle des Robonauten lagen die Entwicklungskosten

alleine für die Hand bei drei Millionen Dollar.

Ein weiteres Beispiel für einen sensiblen Greifer zeigt Abbildung 12, einen von

der Fraunhofer-Vision Gesellschaft entwickelten Greifer mit eingebauten

Kraftmesssensoren. Hinzu kommt bei diesem Greifer noch eine Kamera als

zusätzlicher Sensor. Dieser gibt dem Steuerungsprogramm Informationen über

Größe und Form des zu greifenden Objekts.

Abbildung 12: Flexibler Drei-Finger-Greifer mit integrierter Sensorik19

18 http://www.robowelt.de/1tech/3grundbau/34haende.htm 19 http://www.vision.fraunhofer.de/de/6/projekte/235.html

21

„Der intelligente flexible Drei-Finger-Greifer ermöglicht es, Werkstücke

unterschiedlicher Größe und Form kraftgeregelt zu greifen. Der Greifvorgang

wird von taktilen Sensoren an den Fingerkuppen und einer Bildverarbeitung, die

ohne externen PC auskommt, unterstützt. Darüber hinaus übernimmt der

integrierte Mikrocontroller die Steuerung des Greifers, die Auswertung der

Sensorinformationen und die Koordination aller Prozessschritte.“20

2.3.2 Hände in Form von Greifzangen

Es ist nicht immer notwendig, Hände mit Kraftmesssensoren auszustatten. Dazu

müssen die zu greifenden Objekte eine ausreichende Festigkeit besitzen. Die von

dem Greifer aufgebrachte Kraft muss groß genug sein, damit die resultierende

Reibungskraft zwischen Greifer und Objekt ausreicht, um der Gravitationskraft

entgegen zu wirken. Andererseits darf sie nicht so groß sein, dass sie das Objekt

zerstört bzw. verformt.

Die folgende Abbildung 13 zeigt eine graphische Darstellung der auftretenden

Kräfte bei einem Greifer.

Abbildung 13: aufkommende Kräfte bei einem Greifer21

20 http://www.vision.fraunhofer.de/de/6/projekte/235.html 21 Eigenes Bild

zu hebender Gegenstand

Greifer

FG

FR FH FH

FG: Gravitationskraft FR: Reibungskraft FH: Kraft der Hand

22

Greifer, die auf diese Art und Weise funktionieren, lassen sich z.B. in der

Forsttechnik finden. Die Abbildung 14 zeigt einen Greifer, der in der Lage ist,

Bäume mit unterschiedlichen Durchmessern zu fassen. Die dazu benötigte Kraft

wird durch eine Pumpe erzeugt und über mit Öl gefüllte Schläuche übertragen.

Es liegt also eine hydraulische Kraftübertragung vor. Der Einsatz dieses Prinzips

ist hier insofern von Vorteil, da die Baumstämme eine hohe Festigkeit besitzen

und somit nicht durch den Greifer verformt werden, bzw. eine eventuell leichte

Verformung der Stämme in Kauf genommen werden kann.

Abbildung 14: Greifer aus der Forsttechnik22

2.3.3 Zusammenfassung Hände

Es gibt Roboterhände, die mit zwei, drei, vier oder fünf Fingern gestaltet sind.

Sie können aber auch einfach als schlichte Greifer mit zwei Zangen konstruiert

werden. Dabei wird mit steigender Anzahl der Finger die Mechanik wesentlich

komplizierter.

Für die Erzeugung der für den Greifmechanismus benötigten Kräfte kommen im

Wesentlichen zwei Möglichkeiten in Frage: Bei der Ersten werden sie durch

(Elektro-) Motoren erzeugt. In diesem Fall können die Motoren direkt in den

Gelenken angebracht werden. Alternativ werden die Kräfte mit einem Seilzug,

Zahnrädern, einer Kette oder Zahnriemen übertragen. Bei der zweiten

Möglichkeit wird die benötigte Kraft durch eine Pumpe erzeugt und dann

entweder per Luft (pneumatisch) oder Flüssigkeit (hydraulisch) durch Schläuche

übertragen.

22 http://www.feige-forsttechnik.de/

23

Greifer lassen sich in zwei Gruppen unterteilen: solche mit und ohne integrierte

Sensoren. Bei denen ohne Sensoren ergeben sich folgende Probleme:

Entweder muss die Greifhand auf eine bestimmte Größe voreingestellt werden.

Dies ist zum Beispiel bei einem Industrieroboter möglich, der immer wieder das

gleiche Bauteil greift. In einem solchen Fall wird einmal eingestellt, wie weit er

die Greifhand schließen soll, um den Gegenstand fest halten zu können, ohne ihn

dabei zu zerstören. Ansonsten ist ein Greifer ohne Sensoren möglich, wenn die

zu greifenden Objekte fest genug sind, um von der Greifhand nicht zerstört zu

werden.

Ist ein Greifer mit Sensoren ausgestattet, muss folgendes beachten werden:

Der Einsatz von Kraftmesssensoren macht es erforderlich, diese ständig während

des Greifens abzufragen. Dies müsste von dem Steuerungsprogramm

übernommen werden und bedeutet für den Computer bzw. Mikrocontroller mehr

Rechenaufwand. Außerdem wäre es nötig, den Greifer so zu konstruieren, dass

eine Verwendung von Kraftmesssensoren überhaupt möglicht ist. Hinzu

kommen generell auch noch die Kosten für solche Sensorsysteme.

Die Steuerung des Greifers mit zusätzlichen Informationen von Bildern einer

Kamera stellt eine hohe Anforderung an die Präzision der Bildauswertung. Im

momentanen Stadium ist es mit der auf dem Roboter angebrachten Kamera

sowie dem benutzten Controller und der Software nicht möglich, sie für eine

derart präzise Ansteuerung der Greifhand zu nutzen.

2.4 Auswertung

Generell lässt sich sagen, dass Greifarme stets für einen bestimmten Zweck

konstruiert werden und dementsprechend unterschiedlich aufgebaut sind. Je

nachdem wie sie beschaffen sind, sind sie i.d.R. in der Lage, wesentlich schneller

und präziser zu arbeiten, als es ein Mensch kann.

Sie können in für Menschen zu gefährlichen oder unzumutbaren Umgebungen

eingesetzt werden und erbringen eine höhere Leistung als ein Mensch. Zudem

sind sie dabei unermüdlich und können rund um die Uhr eingesetzt werden.

Die Verwendung von Kraftmesssensoren und Kameras ermöglicht es ihnen

ebenfalls, Gegenstände genauso sensibel zu greifen wie die menschliche Hand.

24

Aber: eine Konstruktion eines solch präzisen, leistungsfähigen und zugleich

feinfühligen Roboterarms ist mit sehr hohem Aufwand und Kosten verbunden,

weshalb diese Art von Roboterarmen nicht für die Umsetzung im Rahmen dieser

Examensarbeit geeignet ist.

Die Herstellung eines voll funktionsfähigen sechs- Achs- Knickarms, die

Konstruktion einer Hand mit fünf Fingern sowie der Einsatz und die Auswertung

von Kraftmesssensoren kommen also nicht in Frage. Sie sind für die an uns

selbst gestellte Aufgabe, einen zylindrischen Gegenstand aus Metall bzw. einen

Ball aus Plastik heben zu können, eben so wenig nötig. Anders gesagt wäre ein

Greifer nach diesen Vorgaben einfach überdimensioniert.

Lediglich eins der vorgeführten Modelle kann als Vorbild für eine Umsetzung

dienen: Der Gabelstapler und seine Art und Weise, wie er Gegenstände anhebt

und transportiert. Da sich der Arm dabei auf einem Fahrwerk befindet, kann er

wesentlich einfacher konstruiert werden. Er muss einen Gegenstand nur greifen

und eine Bewegung in der Vertikalen (Z-Achse) ausführen können. Die

Bewegung in der Horizontalen (X- und Y- Achse) wird dem Fahrwerk

überlassen. Eine Drehung des Gegenstandes um seine eigene Achse ist dabei

allerdings nicht möglich.

Der Arm soll dementsprechend dem Prinzip des Gabelstaplers nachempfunden

werden, wobei sich die Greifhand entlang einer Führungsschiene in vertikaler

Richtung bewegen kann.

Die Umsetzung der Hand kann allerdings nicht nach dem Prinzip des

Gabelstaplers erfolgen. Dieser ist in erster Linie auch nicht dafür ausgelegt,

Gegenstände zu greifen. Auch keines der anderen bereits vorgestellten

Greifhandmodelle eignet sich für eine Umsetzung. Um Gegenstände

unterschiedlicher Größe greifen zu können, müssen diese entweder sehr fest sein

oder die Greifhände benötigen eine aufwendige Sensorsteuerung. Daher muss

nach weiteren Möglichkeiten für eine passende Greifhand gesucht werden.

25

2.5 Das FinRay-Prinzip

Eine Zange, welche nach dem FinRay-Prinzip konstruiert ist, stellt eine gute

Lösungsmöglichkeit für die Konstruktion einer Greifhand da.

Das FinRay-Prinzip wurde von einem Mitarbeiter von der Technischen

Universität Berlin entdeckt. Dieser stellte fest, „dass ein in der Faust gehaltener

Fisch, drückt man mit dem Finger gegen seine Seite, sich nicht

erwartungsgemäß vom Druckpunkt ab- sondern diesem „konstruktionsbedingt“

zuwendet.“23

Erste Anwendungen setzten dieses Prinzip für die Möbelindustrie um. Dabei

wird die Rückenlehne von Bürostühlen nach einer grätigen Struktur von

verbundenen Gelenken aufgebaut. Wird diese Lehne durch das Gewicht eines

Menschen belastet, passt sie sich automatisch der Form der Wirbelsäule an,

wodurch diese optimal gestützt wird.

Als mögliche Materialien für eine solche Konstruktion erweisen sich PVC,

Sperrholz oder dünnes Stahlblech.

Dieses Prinzip kann auch auf einen Greifer angewendet werden, welcher sich der

Form und Größe von unterschiedlichen Gegenständen anpasst.

Abbildung 15: Greifer nach dem FinRay-Prinzip24

23 http://www.innomedia-berlin.de/php/innovationen/article.php?article_file=1071562625.txt&printview=1 24 eigenes Bild

26

Abbildung 16: Flexible Anpassung des FinRay-Greifers25

Der Greifer aus den Abbildungen 15 und 16 wurde von Studenten der

Universität Münster gebaut. Ein weiterer Vorteil eines solchen Greifers ist neben

der variablen Anpassung an Form und Größe eines Gegenstandes vor allem seine

Einsatzfähigkeit in Bezug auf weiche Materialien. Im Gegensatz zu einem

Greifer aus steifen Materialien, welcher die ganze Druckkraft auf das zu

greifende Objekt ausüben würde, wird bei dem FinRay-Greifer die Kraft von

dem Objekt zurück auf den Greifer übertragen, welcher sich dadurch verformt.

Mit diesem Prinzip können also auch Greifhände für Roboter entworfen werden,

die ohne Kraftmesssensoren in der Lage sind, weiche Gegenstände wie zum

Beispiel Obst oder ein Ei zu greifen, ohne diese zu zerstören.

Diese Vorteile führen zu der Entscheidung, dass für die Konstruktion des

Greifers eine Greifhand nach dem FinRay-Prinzip entworfen werden soll.

2.6 Ergebniszusammenfassung

Nach den Auswertungen der verschiedenen Mechanismen von Roboterhänden

und Armen wird eine bestimmte Konstruktionsweise für den zu entwerfenden

Greifer zu Grunde gelegt.

Die Funktion des Arms wird durch eine einfache Bewegung in vertikaler

Richtung entlang von Führungsschienen übernommen. Das Vorbild hierfür ist

das Funktionsprinzip eines Gabelstaplers. An diesem Arm soll eine Greifhand

nach dem FinRay-Prinzip angebracht werden, welche in der Lage ist, auch

Gegenstände unterschiedlicher Form und Größe zu fassen.

25 eigenes Bild

27

3 Entwicklung des Greifers

Mit den gewonnenen Erkenntnissen können erste Modelle entworfen werden.

Um den generellen Aufbau des Greifers zu erproben, wird auf die Verwendung

von Lego-Steinen zurückgegriffen.

3.1 Erstes Modell zum Funktionsprinzip

Die Funktion des Greifens wird durch eine Greifhand, deren Finger nach dem

FinRay-Prinzip konstruiert werden, übernommen. Diese Finger befinden sich auf

zwei Wellen, welche sich entgegengesetzt drehen. Die entgegengesetzte Drehung

wird dadurch erreicht, dass auf beiden Wellen gleichgroße Zahnräder montiert

werden, welche ineinander greifen. Durch dieses Prinzip ist der Antrieb nur einer

Welle nötig, um beide Finger mit gleicher Kraft und Geschwindigkeit zusammen

zu führen. Dazu wird eine Welle über ein Kegelradgetriebe von einem

Elektromotor angetrieben.

Abbildung 17: Greifhandmodell aus Lego26 Abbildung 17 zeigt dieses Prinzip anhand eines Modells aus Lego. Die Finger

werden durch die gelben, gebogenen Elemente dargestellt. 26 Eigenes Bild

28

Diese Greifhand soll sich auf einer Plattform befinden, welche durch Anheben

die Funktion des Arms übernimmt. Beim Bau des Modells stellt sich heraus, dass

eine genaue Umsetzung nach dem Prinzip des Gabelstaplers schlecht möglich

bzw. von Nachteil ist.

Bei diesem wird die Kraft vom Motor auf die zu hebende Gabel mittels einer

Kette übertragen. Erste Versuche, dieses Prinzip nachzubauen, scheitern an der

fehlenden Kette bei den Lego-Elementen. Aber auch eine Umsetzung des

generellen Prinzips ohne den Einbau einer Kette erweist sich als zu aufwendig.

Als alternative Antriebsmöglichkeit wird eine Konstruktion erstellt, bei der die

Plattform durch die Verwendung einer Spindel in der Höhe verstellt werden

kann. Die Führungsschienen werden bei dem Lego-Modell vereinfacht durch

Stangen ersetzt, welche die Plattform in ihrer Position halten.

Abbildung 18: Greifarmmodell aus Lego27

Der Motor befindet sich auf der unteren Plattform. Mittels eines

Kegelradgetriebes wird die Kraft des Motors auf die in der Mitte senkrecht

angebrachte Spindel übertragen. Die graue Platte in der Mitte ist fest mit einer

Mutter verbunden, die sich durch Drehen der Spindel nach oben bzw. unten

verschiebt. Dabei wird diese Platte durch vier ebenfalls senkrecht angebrachte

27 Eigenes Bild

29

Stangen in waagerechter Position gehalten. Abbildung 19 zeigt das fertige

Modell mit angebrachter Greifhand.

Abbildung 19: Greifermodell aus Lego28

3.2 Bestimmung einzelner Elemente

Nachdem das Konstruktionsprinzip feststeht, muss nach geeigneten Materialien

für die Umsetzung in eine Version aus Metall für den Fahrroboter gesucht

werden. Folgende Elemente werden dabei voraussichtlich benötigt:

- Führungsschienen für die Führung des Arms

- Plattform des Arms für die Greifhand

- Spindel zur Höhenverstellung

- Zwei Kugellager und Lagerböcke für die Spindel

- Motor für den Antrieb der Spindel

- Kegelzahnräder zur Kraftübertragung von Motor auf Spindel

- Wellen für die Finger der Greifhand

- PVC oder vergleichbares Material für die FinRay Finger

- Zahnräder für die Wellen

- Vier Kugellager und Lagerböcke für die Wellen

- Motor für Antrieb der Welle der Hand

- Zahnräder zur Kraftübertragung von Motor auf Welle

28 Eigenes Bild

30

Zur Dimensionierung der Größen der einzelnen Elemente muss das bereits

erstellte Fahrwerk betrachtet werden. Da sich der Greifarm vorne am Roboter

befinden soll, bleibt nur der Platz zwischen sowie vor den beiden mittleren

Pfeilern übrig. Die Vermessung dieses Bereichs sowie der Pfeiler ergibt folgende

Werte:

- Breite (Abstand der Pfeiler): 11,5 cm (a)

- Höhe (Abstand Grundplatte unten bis Grundplatte oben): 15 cm (b)

- Tiefe (Abstand Vorderkante Grundplatte bis Motor): 6 cm (c)

- Breite der Pfeiler: 2 cm (d)

Abbildung 20: Vorderansicht Fahrwerk29

3.2.1 Führungsschienen und Spindelantrieb

Für die Führungsschienen und den Spindelantrieb gibt es Fachhändler30, die sog.

Linearführungssysteme bzw. Spindelantriebssets anbieten. Diese

Linearführungssysteme bestehen in der Regel aus einer Führungsschiene mit

einem darauf angebrachten Schlitten. Auf diesen Schlitten können dann z.B.

29 Eigenes Bild 30 Ausgesuchte Fachhändler für Linearführungssysteme:

- THK (http://www.thk.co.uk/DE/) - RS Components GmbH (http://www.rsonline.de/)

ac

b

dd

31

Werkzeuge montiert werden, um sie mit hoher Genauigkeit zu führen.

Abbildung 21 zeigt ein solches Linearführungssystem.

Abbildung 21: Linearführungssystem mit Führungsschiene und Schlitten31 Die Spindelantriebssets bestehen im Großen und Ganzen aus einer Trapezspindel

mit passender Mutter, Kugellager und Lagerbock. Abbildung 28 zeigt als

Beispiel ein solches Set, welches bei „RS“ unter der Hersteller-Artikel-Nummer

„RMA0601C7S-16085“ für 307,40€ erhältlich ist.

Abbildung 22: Spindelantriebset von „RS“32

Bei den Linearführungssystemen gibt es auch solche, bei denen ein

Spindelantrieb gleich mit eingebaut ist. Generell zeichnen sich diese Systeme in

erster Linie durch ihren sehr präzisen Lauf aus. Dazu sind sie leichtläufig,

schmierstofffrei, wartungsfrei und in ihrem Betrieb sehr leise. Außerdem halten

sie hohen Belastungen stand.

31 http://www.franke-gmbh.de/ 32 http://www.mercateo.com/p/108WZ-281(2d)6419/Spindelantriesset.html

32

Für die Umsetzung in einen Greifer sind sie in diesem Falle aber nicht geeignet.

Das liegt zum einen an ihrer Größe. Die Konstruktionsart von Führungsschiene

mit aufgebrachten Schlitten nimmt zuviel Platz in Anspruch. Außerdem erweist

sie sich schlicht als zu kompliziert für die vorgesehene Art, den Greifer zu

konstruieren.

Zum anderen ist ein Einsatz dieser Systeme mit sehr hohen Kosten verbunden,

da sie für Anforderungen in einem Maße konzipiert sind, wie sie in unserem Fall

nicht benötigt werden. Genau wie die bereits in Kapitel 2 gezeigten Hände mit

eingebauten Kraftmesssensoren sind auch diese Systeme für unseren Fall

überdimensioniert. Daher muss nach passenden Alternativen gesucht werden.

Als wesentlich günstiger, in seiner Genauigkeit völlig ausreichend und vom

Maße her auch sehr gut geeignet erweist sich der Einsatz eines Kugelauszugs für

Einbauschubladen als lineare Führungsschiene. Dieser ist als Teil- und

Vollauszug im Baumarkt für rund zehn Euro erhältlich. Da die Höhe des

Roboterfahrwerks 15 cm beträgt und die Pfeiler 2 cm breit sind, wird ein

Teilauszug von 21,4 cm Länge und 2,7 cm Breite ausgewählt. Abbildung 30

zeigt ein Bild dieses Kugelteilauszugs.

Abbildung 23: Kugelteilauszug für Einbauschubladen33

Das Spindelantriebset wird durch eine ausreichend große Gewindestange M8

und Mutter ersetzt. Diese wird mittels Kugellager und passenden Lagerböcken

gelagert.

33 http://www1.hettich.com:8080/diy/catalog/Start.do?localeId=de&groupId=(%22810%22)

33

3.2.2 Motoren

Für die Auswahl der Motoren muss festgelegt werden, welche Art von Motor

Verwendung finden soll. Wie auch schon beim Antrieb des Fahrwerks werden

beim Greifer Elektromotoren eingesetzt. Diese können noch in Schritt-, Servo-

und Getriebemotoren unterteilt werden. Neben der Entscheidung für eine

bestimmte Art von Motor muss ebenso berechnet werden, welche Leistung und

Umdrehungsgeschwindigkeit für den Greifer notwendig ist.

„Der Servomotor ist ein Motor, der verschiedene vorgebbare Positionen

anfahren kann und diese dann beibehält. (...) In gewissem Umfang können

Servomotoren durch Schrittmotoren ersetzt werden, die weniger technischen

Aufwand und Kosten verursachen. Schrittmotoren neigen jedoch unter

bestimmten Betriebszuständen zu Positionierungsfehlern (Überspringen von

Schritten).“34

Servo- und Schrittmotoren wären notwendig, wenn der Greifer eine starre

Greifhand hätte und auf (eine) bestimmte Objektgröße angepasst werden müsste.

In dem Fall könnte mittels dieser Motorenarten genau gesteuert werden, wie weit

sich die Hand schließen soll.

Da die Greifhand aber nach dem FinRay Prinzip gebaut wird, ist der Einsatz von

Servo- oder Schrittmotoren nicht notwendig. Die Idee dieses Prinzips ist ja

gerade die flexible Anpassung des Greifers an verschiedene Gegenstände,

welche durch Verformung der Greifhand erfolgt. Dazu muss die Hand sich noch

weiter schließen, auch wenn die Finger den Gegenstand bereits berühren.

Entscheidend für die Auswahl der Motoren sind also primär die Leistung sowie

sie Umdrehungsgeschwindigkeit. Dabei muss der erste Motor stark genug sein,

um die Plattform mit dem Greifer mittels Spindel anheben zu können. Der zweite

Motor muss ein so hohes Drehmoment erzeugen, um beim Schließen der Hand

eine Verformung der FinRay-Finger zu erreichen.

Eine bereits vom Motor passend vorgegebene Umdrehungsgeschwindigkeit

erspart die zusätzliche Konstruktion eines Getriebes. Bei Getriebemotoren ist ein

Getriebe zur Veränderung der Umdrehungsgeschwindigkeit bereits mit

integriert.

34 http://de.wikipedia.org/wiki/Servomotor

34

„Ein Getriebemotor besteht aus einem Motor, z.B. einem Elektromotor, und

einem Getriebe, das dafür sorgt, dass sich die Antriebswelle mit geringerer

Geschwindigkeit, aber wesentlich höherem Drehmoment dreht.“35

Conrad Electronic bietet mit dem „MFA Getriebemotor 540“ einen Motor, der

bei einer Versorgungsspannung von 12 Volt36 mit einem Drehmoment von 1,544

Ncm eine ausreichend große Kraft aufbringen kann. Seine Drehzahl beträgt im

Leerlauf 15800 U/min. Angeboten wird dieser Motor mit 7 verschiedenen

Untersetzungen, die Umdrehungsgeschwindigkeiten von maximal 6300 U/min

bis runter zu 5 U/min liefern.

Um die richtige Geschwindigkeit auszuwählen wird als erstes festgelegt, dass die

Übertragung der Kraft von den Motoren auf die Spindel bzw. die Welle mit

Kegelradgetrieben mit dem Verhältnis 1:1 vorgenommen wird, um die

Umdrehungsgeschwindigkeit der Motoren beizubehalten. Anschließend muss

festgelegt werden, welche Geschwindigkeit am besten für die Greifhand bzw. die

Spindel geeignet ist.

Die Greifhand soll sich möglichst langsam schließen. Also wird der Motor mit

der niedrigsten Umdrehungsgeschwindigkeit als Berechnungsgrundlage

genommen. Dieser erzeugt 5 U/min, was umgerechnet 12 Sekunden pro

Umdrehung bedeutet.

Eine Betrachtung des Lego-Modells des Greifers lässt erkennen, dass zum

Greifvorgang eine Viertelumdrehung ausgeführt werden muss. Bei 12 Sekunden

pro Umdrehung bedeutet dies, dass der Greifvorgang 3 Sekunden dauert. Diese

Zeit erscheint als passend. Der erste ausgewählte Motor hat somit eine

Untersetzung von 3000:1.

Der Motor für die Spindel soll die Platte der Greifhand einen Zentimeter pro

Sekunde anheben. Die verwendete M8-Gewindestange hat eine Steigung von

1,25. Für einen Zentimeter Hubhöhe sind also 8 Umdrehungen nötig. Der Motor

sollte dementsprechend eine Drehzahl von 8 U/s aufbringen. Eine Umrechnung

auf U/min ergibt einen Wert von 480 U/min. Da der Getriebemotor nicht in

35 http://de.wikipedia.org/wiki/Getriebemotor 36 Versorgungsspannung des gesamten Roboters durch die verwendeten Akkus

35

genau dieser passenden Geschwindigkeit angeboten wird, wird der Motor mit

dem nächstliegenden Wert genommen.

Der ausgewählte Motor erzeugt bei einer Untersetzung von 50:1 eine

Umdrehungsgeschwindigkeit von 316 U/min. Dadurch ändert sich auch die

Hubgeschwindigkeit. 316 U/min entsprechen etwa 5,26 U/s. Bei einer Steigung

von 1,25 beträgt die Hubhöhe pro Sekunde somit etwa 0,66 cm/s.

3.2.3 Wellen, Zahnräder, Kugellager

Sämtliche in der Überschrift genannten Elemente gibt es in unterschiedlichsten

Ausführungen als fertige Elemente zu kaufen.

Für die zu verwendenden Zahnräder wird festgelegt, Stahlzahnräder mit dem

Modul 1 zu benutzen. Erste Überlegungen, wie groß diese ausfallen müssen,

führen zu dem Ergebnis, dass die Wellen einen möglichst großen Abstand haben

sollten. Da auf den Wellen die FinRay-Finger montiert werden müssen, dürfen

diese nicht zu dicht beieinander stehen. Außerdem muss genügend Platz

vorhanden sein, um zwei Lagerböcke nebeneinander platzieren zu können. Es

wird ein Zahnrad mit 42 mm Durchmesser und 6 mm Bohrung ausgewählt.

Die weiteren Elemente werden an diese ermittelten Werte angepasst. Die Wellen

werden durch Eisenstangen mit einem Durchmesser von 6 mm realisiert. Dazu

passende Kugellager mit einem Innendurchmesser von 6 mm haben einen

Außendurchmesser von 19 mm. Die Lagerböcke für 19 mm Kugellager besitzen

eine quadratische Grundfläche mit 30 mm Kantenlänge. Somit können die

beiden Wellen der Greifhand vom Abstand zueinander her problemlos

nebeneinander gelagert werden.

Um die Lagerböcke einheitlich zu halten, werden die gleichen Lagerböcke auch

für den Spindelantrieb genutzt. Daher wird die M8-Gewindestange an beiden

Enden auf 6 mm abgedreht. Somit kann diese genau in die Kugellager eingepasst

werden.

Die Kegelräder sollen ebenfalls aus Stahl bestehen. Aus Kostengründen werden

welche mit 5 mm genommen und auf 6 mm aufgebohrt. Außerdem müssen diese

Kegelräder noch mit einem Gewinde in der Nabe für eine Feststellschraube

versehen werden.

36

3.2.4 Greifhand nach dem FinRay-Prinzip

Für die Konstruktion eines Greifers nach dem FinRay Prinzip lassen sich leider

keinerlei technischen Vorgaben finden. Weder auf der oben bereits erwähnten

Internetseite37 zu diesem Thema, noch bei der Firma „evologics“38, die

mittlerweile das Patent auf das FinRay-Prinzip hat oder auf der Homepage der

Fachhochschule Rosenheim39, die bereits im Jahr 2004 einen adaptiven Stuhl

nach diesem Prinzip gebaut und das Ganze dokumentiert hat.

Daher kann der bereits vorliegende Greifer als einzige Vorlage dienen.

Abbildung 24: Greifer nach dem FinRay-Prinzip40

Die beiden Finger des FinRay Greifers bestehen aus weichen PVC-Streifen von

2 mm Stärke und einer Breite von 2,5 cm. Miteinander verbunden sind sie durch

ein Gewebeklebeband, welches eine freie Beweglichkeit in den Gelenken

ermöglicht.

Die Innenseiten des FinRay Greifers haben eine Länge von 40 cm. Die

Außenseiten sind etwa 0,5 cm länger. Dadurch erhält der Greifer eine gewisse

37 http://www.innomedia-berlin.de/php/innovationen/article.php?article_file=1071562625.txt&printview=1 38 http://www.evologics.de/finray_index.php?sectionID=6 39 http://www.fh-rosenheim.de/upload/92/adaptiverstuhl_paul.pdf 40 Eigenes Bild

40 cm

40,5 cm 10 cm

15°

4 cm

Gelenke

37

Vorspannung und Krümmung nach innen. Die einzelnen Rippen verlaufen

parallel zueinander. Die unterste Rippe steht in einem 15° Winkel zu der

Halterung der Finger. Die Breite der untersten Rippe beträgt 10 cm. Die 9

folgenden Rippen sind jeweils einen Zentimeter kürzer und haben stets 4 cm

Abstand zueinander.

Wenn der Greifer komplett geöffnet wird, hat er eine Spannweite von über 80

cm. Da das Fahrwerk des Roboters eine Breite von 50 cm hat, bietet sich eine

Umsetzung des Greifers im Maßstab 1:2 an. Die Spannweite beträgt dann 40 cm

und deckt fast die gesamte Breite des Fahrwerks ab.

Erste Prototypen zeigen, dass sich ein Greifer bei diesen Maßen und

verwendeten Materialien kaum verformt. Daher wird die Spannweite des

Greifers auf die gesamte Breite des Fahrwerks vergrößert, um ihn elastischer zu

gestalten.

Abbildung 25: Prototypen eines FinRay Fingers41

Beim fertigen Greifer beträgt die Innenseite der Finger 25 cm, die Außenseite

wird auf 25,5 cm verlängert. Da bei diesen Abmessungen die obersten Rippen zu

klein werden würden, um sie noch gut befestigen zu können, wird die Anzahl der

Rippen von 10 auf 7 reduziert. Die unterste Rippe ist 5 cm lang. Die weiteren

Rippen folgen im Abstand von jeweils 2,5 cm und sind jedes Mal 0,5 cm kürzer.

Der Winkel in den Gelenken wurde beibehalten.

41 Eigene Bilder

38

Abbildung 26: Endversion eines FinRay Fingers im Belastungstest42

Die mit Gewebeband verbundenen PVC-Steifen sind durch Schrauben mit einem

Aluminiumklotz verbunden, welcher als Halterung für die Fingerkonstruktion

dient. Dieser erhält eine 6 mm Durchbohrung, um ihn auf die Welle schieben zu

können. Senkrecht zu dieser Bohrung werden von zwei Seiten Innengewinde M4

erstellt, um den FinRay-Finger mit Madenschrauben fest an der Welle fixieren

zu können.

42 Eigenes Bild

39

4 Konstruktion des Greifers

Nachdem alle wesentlichen Elemente bestimmt sind, kann eine genaue

Konstruktionsplanung durchgeführt werden. Die technischen Zeichnungen zu

den Elementen, die noch angefertigt werden müssen, befinden sich im Anhang.

Des Weiteren liegen dort die Datenblätter der verwendeten Fertigelemente mit

den Angaben zur Ausstattung und den technischen Daten vor.

Die folgende Bilderreihe dokumentiert den Zusammenbau dieser einzelnen

Elemente.

4.1 Anbringung der Führungsschienen

Zuerst erfolgt die Montage der Führungsschienen von vorne an die beiden

mittleren Pfeiler. Dazu werden in die beiden Pfeiler und durch die Rückseite der

Führungsschienen jeweils zwei Löcher gebohrt. Das erste mit einem Abstand

von 45 mm zur Unterkante der Grundplatte des Fahrwerk bzw. der Unterkante

der Führungsschienen. Der Abstand des zweiten Loches zur Unterkante beträgt

125 mm. Diese Abstände werden gewählt, damit es keine Überschneidungen mit

den Sechskantschrauben gibt, welche von oben und unten sowie von der Seite in

die Pfeiler geschraubt sind.

Abbildung 27: Montage der Führungsschienen43

43 Eigenes Bild

80 m

m

45 m

m

40

Die Durchbohrungen auf der Rückseite der Führungsschienen haben einen

Durchmesser von 4 mm, die in den Pfeilern einen von 3,3 mm. In die Löcher der

Pfeiler werden anschließend M4 Gewinde hinein geschnitten, um die

Führungsschienen mit 4*16 mm Rundkopfschrauben an die Pfeiler anschrauben

zu können.

4.2 Zusammenfügung der Elemente der Greifhand

Nach der Montage der Führungsschienen müssen die beiden Platten der

Greifhand zuerst mit allen nötigen Bohrungen versehen werden.

Dies sind im Einzelnen folgende:

- 4 mm Bohrungen für die Lagerböcke

- 4 mm Bohrungen für die Winkel zur Montage an die Führungsschienen

- 8 mm Bohrung für Welle der Greifhand

- 6 mm Bohrung zur Verbindung der beiden Platten mittels eines Pfeilers

- 9 mm Bohrung für die Spindel

- 3 mm Bohrungen für die Montage des Motors

Abbildung 28 zeigt die Draufsicht auf die beiden Platten. Oben im Bild wird die

obere, unten die untere Platte der Greifhand dargestellt. Diese beiden Platten

werden mit rechten Winkeln an die Führungsschienen angebracht. Die

Konstruktion des Greifers wird sich dann vor dem eigentlichen Fahrwerk

befinden und die Grundmaße des Roboters ein wenig vergrößern.

Die obere Platte ist anders geformt, da diese zwischen der oberen und unteren

Grundplatte des Fahrwerks liegen muss, um über die Spindel angetrieben werden

zu können.

Platten und Lagerböcke werden mittels 4*20 mm Rundkopfschrauben,

Unterlegscheiben und Muttern miteinander verbunden. Dabei ist zu beachten,

dass der Lagerbock der oberen Platte von unten an die Platte befestigt wird.

Die Positionen der anderen Elemente sind schematisch in der Abbildung 28

eingezeichnet. Genaue Bemaßungen zu den Bohrungen befinden sich in der

technischen Zeichnung im Anhang.

41

Abbildung 28: Positionen der Elemente der Greifhand44

Die Wellen werden in die Kugellager eingepasst. Auf die Wellen werden die

Zahnräder gesteckt. Die Naben der Zahnräder sind mit zwei Innengewinden M4

versehen, so dass mit Madenschrauben eine kraftschlüssige Verbindung

zwischen Zahnrad und Welle hergestellt werden kann. Da das Anziehen der

Madenschrauben zu einer kleinen Verformung an dieser Stelle der Welle führt,

müssen die Wellen auf Höhe der Madenschrauben etwas abgeschliffen werden;

sonst lassen sich die Zahnräder nicht mehr ohne weiteres entfernen.

Abbildung 29: Wellen mit aufgebrachten Zahnrädern45 44 Eigenes Bild 45 Eigenes Bild

Winkel

Lagerböcke

Motor Welle

Spindel

Pfeiler

42

Bei der Fixierung der Finger mittels Madenschrauben auf den Wellen ist darauf

zu achten, diese auszurichten. Die Innenseiten der Finger müssen, wenn die

Greifhand vollständig geöffnet ist, beide parallel zur vorderen Kante der Platte

verlaufen. Wenn der Greifarm geschlossen ist, stehen beide senkrecht zur

Plattenkante.

Abbildung 30: Wellen mit ausgerichteten Fingern46

Nach der Ausrichtung der Finger kann die obere Platte mit den beiden

Kugellagern auf die Wellen montiert werden. Zwischen oberer und unterer Platte

wird noch ein Pfeiler angebracht, der die beiden Platten über zwei 6*16 mm

Sechskantschrauben verbindet. Die Höhe dieses Pfeilers ist mit 60 mm so

gewählt, dass bei der späteren Verbindung von der Greifhand mit den

Führungsschienen unter Verwendung von rechten Winkeln die bereits

vorgegebenen Löcher auf der Vorderseite der Führungsschienen genutzt werden

können. Abbildung 31 zeigt, wie die fertig montierte Hand aussieht. Im rechten

Bild wird ein Ausschnitt der Hand zur Übersicht ohne die Finger gezeigt, um die

Position des Pfeilers deutlicher hervor zu heben.

Abbildung 31: fertig montierte Greifhand mit Pfeiler47

46 Eigenes Bild 47 Eigenes Bild

43

4.3 Montage der Greifhand an die Führungsschienen

Zuerst werden die Winkel mit 4*10 mm Senkkopfschrauben und Muttern an die

Führungsschienen angebracht. Die unteren Winkel werden an die untersten

Löcher der Führungsschiene, die oberen Winkel 6 cm höher angeschraubt. Dabei

befinden sich die Köpfe der Schrauben auf der Innenseite der Führungsschienen.

Dies ist nötig, weil die Führungsschienen auf ihrer Innenseite eine

Auszugsstoppvorrichtung angebracht haben. Würde man die Muttern nach innen

setzen oder Rundkopfschrauben verwenden, könnte die Schiene nicht mehr

vollständig ausgezogen werden.

Anschließend wird der Lagerbock mittig zwischen den beiden Pfeilern in einem

Abstand von 5 mm zur Vorderkante auf die untere Grundplatte des Fahrwerks

angebracht. Dazu muss die obere Grundplatte des Fahrwerks entfernt werden.

Abbildung 32 zeigt die an die Führungsschienen angebrachten Winkel und die

untere Grundplatte mit angeschraubtem Lagerbock. Hiezu werden 4*20 mm

Rundkopfschrauben verwendet.

Abbildung 32: Führungsschienen mit Winkel48

Auf die Gewindestange wird eine Mutter geschraubt und mit dem Ende, welches

auf einer Länge von 7 mm auf 6 mm abgedreht wird, in das Kugellager

eingepasst. Danach wird die Greifhand wie in Abbildung 33 auf die

Gewindestange gesteckt und mit den Winkeln der Führungsschienen mittels

4*16 mm Rundkopfschrauben und Muttern verbunden.

48 Eigenes Bild

44

Abbildung 33: Greifhand mit Spindel49

In Abbildung 33 ist im rechten Bild die Greifhand ohne die Finger zu sehen.

Dadurch ist gut erkennbar, wie die obere Platte auf der Mutter aufliegt. Die

Mutter wird nicht fest mit der Platte verbunden. Durch das Gewicht der

Greifhand und der Reibungskraft zwischen Mutter und Platte dreht sich die

Mutter bei einer Rotation der Spindel nicht mit dieser mit. Sie bewegt sich

demzufolge auf der Spindel nach oben oder unten und hebt bzw. senkt damit die

Greifhand.

An die obere Grundplatte des Fahrwerks wird von unten ebenfalls ein Lagerbock

mit Kugellager geschraubt. Dieser befindet sich wie der Lagebock auf der

unteren Grundplatte in der Mitte zwischen den beiden Pfeilern und hat 5 mm

Abstand zur Vorderkante. Die obere Grundplatte muss in der Mitte des

Lagerbocks noch mit einer 7 mm Durchbohrung versehen werden. Dadurch kann

die Gewindestange, welche am oberen Ende auf einer Länge von 27 mm auf 6

mm abgedreht wird, etwa 20 mm über die obere Grundplatte hinausragen, um an

dieser Stelle über ein Kegelgetriebe vom Motor angetrieben zu werden.

Der Durchmesser der vier Löcher auf der oberen Grundplatte für die Halterung

des Motors beträgt 3 mm. Sie haben einen Abstand von 80 mm bzw. 120 mm zur

Vorderkante der Grundplatte und liegen jeweils 20 mm von der Mittellinie der

oberen Grundplatte entfernt

49 Eigenes Bild

45

4.4 Installation der Motoren

Nach dem Zusammenbau von Arm und Hand erfolgt die Installation der

Motoren. Dazu werden zuerst die Kegelräder auf die Wellen der Motoren und

der Hand sowie den oberen, abgedrehten Teil der Spindel gesteckt. Dann werden

die Motoren mit 3*20 mm Rundkopfschrauben mit der oberen Grundplatte des

Fahrwerks sowie der oberen Platte der Greifhand verschraubt. Die Schrauben

haben nur einen Durchmesser von 3 mm, da die Halterungen der Motoren mit

Löchern dieses Durchmessers bereits vorgebohrt sind.

Dabei ist zu beachten, dass die Motoren mit der von Werk aus angebrachten

Halterung nicht direkt auf die Platten gesetzt werden können. Die ausgewählten

Kegelräder sind dafür zu hoch, so dass auch die Motoren angehoben werden

müssen. Dies geschieht durch jeweils zwei Muttern. Diese werden auf die

Schrauben, mit denen Motor und Platte verbunden werden, zwischen die Platte

der Greifhand bzw. die obere Grundplatte des Fahrwerks und die Halterung des

Motors gesetzt. Danach werden diese Schrauben noch von unten mit Muttern an

die Platten montiert.

Abbildung 34: Greifer mit installierten Motoren50

Nachdem die Motoren wie in Abbildung 34 fest mit den Platten verbunden sind,

erfolgt die Ausrichtung der Kegelräder. Dazu werden diese auf den Wellen durch

Verschieben in die richtige Position gebracht und abschließend mit den

Madenschrauben auf den Wellen fixiert.

50 Eigenes Bild

46

5 Zusammenfassung und Weiterentwicklung

5.1 Testbericht

Nach der Fertigstellung des Greifers wird dieser auf seine Funktion überprüft.

Zuerst wird der Testgegenstand, ein roter Zylinder, von dem Greifer erfolgreich

angehoben. Ebenso ist er in der Lage, eine Kontaktsprayflasche von ca. 400

Gramm Gewicht zu heben.

Abbildung 35: Erste Greifversuche mit Zylinder und Kontaktsprayflasche51

Um die genaue Leistungsfähigkeit des Greifers zu ermitteln, muss die Kraft des

Arms und die der Hand einzeln gemessen werden. Zuerst wird überprüft, wie

viel Gewicht der Arm theoretisch heben könnte. Dazu wird ein Federkraftmesser

senkrecht zwischen die Platte der Greifhand und einem Stativ gespannt und der

Motor der Spindel an ein Spannungsversorgungsgerät mit 12 Volt

angeschlossen.

Die durch den starken Motor in Verbindung mit der Übersetzung durch die

Spindel entstehen Kräfte sind dabei so hoch, dass der größtmöglich vorhandene

Federkraftmesser bis zu 30 Newton nicht ausreicht, um die Kraft des Arms zu

messen.

Auch die Aneinanderreihung zwei solcher Federkraftmesser wird von dem

Roboterarm spielend bis zum Anschlag gebracht. Weitere Messungen werden

nicht vorgenommen. Somit ist der Arm in der Lage, Gewichte bis mindestens 6

Kilogramm anzuheben.52

51 Eigene Bilder 52 Dies ist leider nur der theoretische Wert der Hebekraft des Arms. Es ist davon auszugehen, dass die Greifhand nicht in der Lage sein wird, ein Gewicht dieser Größe festzuhalten.

47

Abbildung 36: Kraftmessung des Roboterarms53

Um Gewissheit über die Leistung der Hand zu bekommen, werden auch hier

Versuche mit dem Federkraftmesser durchgeführt.

Zuerst wird ein Federkraftmesser zwischen der Spitze des Fingers und einem

Stativ eingespannt. An dieser Stelle entwickelt der Greifer eine Kraft von etwa

10 Newton. Anschließend wird der Federkraftmesser etwa in der Mitte des

Fingers eingehängt, wo eine Kraft von etwa 25 Newton gemessen werden kann.

Abbildung 37: Kraftmessung an der Roboterhand54 53 Eigenes Bild 54 Eigenes Bild

48

Die ermittelten Werte zur Kraft des Arms und der Hand geben aber keine direkte

Angabe über das Gewicht, welches der Greifer effektiv heben kann. Das liegt

daran, dass zu einer genauen Berechnung ermittelt werden müsste, wie groß die

Berührungsfläche zwischen Greiffinger und gegriffenem Objekt ist. Außerdem

müsste die Haftreibungszahl zwischen den beiden Materialien bekannt sein.

Daher wird ein weiterer Versuch durchgeführt, bei dem auf einfache Art ermittelt

werden kann, wie viel Gewicht der Greifer heben kann. Abbildung 38 zeigt den

Versuchsaufbau.

Abbildung 38: Testversuch zur Kraft des Greifers55

Der Zylinder wird von der Greifhand eingeklemmt. Um ihn herum wird eine

Schnur gelegt und an dieser mit einem Federkraftmesser gezogen. Bis zu einem

Wert von 12 Newton hält der Greifer den Zylinder fest. Bei Erhöhung der

Zugkraft beginnt der Zylinder in der Hand zu verrutschen.

Theoretisch könnte der Greifer somit einen Gegenstand mit einem Gewicht bis

zu 1,2 Kilogramm festhalten und anheben.

55 Eigenes Bild

49

5.2 Fazit

Das vorgegebene Ziel, einen kleinen Zylinder bzw. Ball anheben zu können,

wurde erfüllt. Auch eine Sprayflasche mit 400 Gramm Gewicht konnte der

Greifer problemlos anheben. Theoretisch können die zu hebenden Gegenstände

sogar ein Gewicht von bis zu 1,2 Kilogramm haben. Dies ist abhängig von der

Oberflächenbeschaffenheit aber auch Form des zu greifenden Gegenstandes.

Als nicht vollends zufrieden stellend müssen zwei Aspekte des hergestellten

Greifers hervorgehoben werden:

Die für diese Examensarbeit entworfene Greifhand nach dem FinRay – Prinzip

ist zwar in der Lage, den Testgegenstand zu fassen. Dabei tritt der FinRay-Effekt

aber nur in sehr geringem Masse auf. Dies liegt zum einem an dem Motor,

welcher nicht stark genug ist, um die Finger aus dem verwendeten PVC zu

verformen. Zum anderen liegt es aber hauptsächlich an eben diesem

ausgewählten Material, welches für die erstellte Größe des Greifers

offensichtlich nicht elastisch genug und daher für die Konstruktion letztlich

ungeeignet ist.

Leider stand für diese Arbeit nur ein einziges Anschauungsmodell zur

Verfügung, zu welchem es auch keine Dokumentation gibt. Eine bessere Version

eines FinRay-Greifers hätte dementsprechend eine ganze Reihe von

Testversuchen mit unterschiedlichen Materialien und Größen notwendig

gemacht.

Da der FinRay-Greifer im Rahmen dieser Examensarbeit aber nur Verwendung

finden und nicht an und für sich erforscht werden sollte, hätten diese Testreihen

den Rahmen der Arbeit gesprengt.

Denkbar wäre dementsprechend eine weitere Examensarbeit, welche sich

ausschließlich mit der Entwicklung und Konstruktion eines FinRay-Greifers

beschäftigt.

Diese könnte eventuell eine Vielzahl von Fragen klären, die sich bei der

Entwicklung des Greifers dieser Examensarbeit ergeben haben:

50

- Welches Material eignet sich am Besten für die Konstruktion?

- Wie können die Gelenke konstruiert werden, um auf eine Befestigung mit

Klebeband verzichten zu können?

- Spielt die Größe des Geifers eine entscheidende Rolle? Gibt es eine

minimale oder optimale Größe für einen FinRay-Greifer?

- Welche Rolle spielen die Anzahl und der Winkel der Rippen? Kann man

aus der Größe des Greifers auf eine bestimmte Rippenzahl schließen?

- Welche Kräfte treten an den unterschiedlichen Stellen wie z.B. in den

Gelenken auf?

- Ist es möglich, generelle Formeln zur Berechnung der Konstruktion eines

solchen Greifers zu entwickeln? Oder können lediglich Erfahrungswerte

gesammelt werden?

Die Lagerung der Motoren ist der zweite Punkt der Konstruktion, der noch

verbessert werden muss. Nach Fertigstellung des gesamten Greifers stellte sich

heraus, dass die bereits an den Motoren angebrachten Halterungen den

auftretenden Kräften nicht standhalten können. Bei zu starker Belastung kommt

es zu einer Verdrehung dieser Halterungen, bis die Kegelräder nicht mehr

ineinander greifen und anfangen zu springen. Daher muss hierfür noch nach

einer neuen Befestigungsmöglichkeit der Motoren gesucht werden. Die Verbesserung der Motorenhalterungen wird noch umgehend vorgenommen

werden. Erste Pläne dazu bestehen bereits. Aus Zeitgründen können diese aber

nicht mehr in die Dokumentation dieser Examensarbeit aufgenommen werden.

5.3 Perspektiven

Die Betrachtung des Fazits gibt gleich zwei Hinweise darauf, wie sich dieser

autonome Roboter weiter entwickeln könnte bzw. sollte.

Zuerst sollte eine nach einer geeigneten Befestigungsmöglichkeit für die

Motoren gesucht werden. Diese ist, wie schon erwähnt, bereits in Planung.

Als weiterer Schritt stehen die bereits im Fazit aufgeführten und umfangreichen

Maßnahmen zur Verbesserung der FinRay Greifhand an.

Denkbar wäre aber auch eine komplett andere Konstruktion des Greifers als die

gewählte Lösungsmöglichkeit unter Verwendung des FinRay-Prinzips. Die

51

potentielle Verwendung von Kraftmesssensoren oder einer genaueren Steuerung

des Greifers über die Bilderkennung ist dabei durchaus denkbar. Für unseren Fall

war dies allerdings nicht möglich.

Erstens kann die Kamera dafür nicht ausreichend präzise Bilder liefern, zumal

beim Greifvorgang im Prinzip auch zwei Kameras für ein dreidimensionales

Sehen nötig wären. Und zweitens sind der gewählte Mikrocontroller und das bis

zu diesem Zeitpunkt entwickelte Programm nicht in der Lage, eine solche

Datenmenge zu verarbeiten. Selbst im aktuellen Entwicklungsstadium fährt der

Roboter bereits ruckartig, da zwischen den Befehlen vom Steuerungsprogramm

an die Motoren immer wieder die Ultraschallsensoren abgefragt werden müssen

und die vorhandene Rechengeschwindigkeit des Mikrocontrollers dafür nicht

ausreicht.

Daher wurde bei dem Entwurf dieser Arbeit auch darauf verzichtet, eine

Ansteuerung von genauen Positionen des Greifers zu erreichen. Diese ist nur mit

dem Einbau weiterer Sensoren möglich, würden aber Mikrocontroller und

Programm zu stark beanspruchen. Ein anderer Mikrocontroller könnte aber

generell eine solche Positionsbestimmung ermöglichen.

Von der Konstruktion her wäre auch der Einbau mehrerer Gelenke eine

Möglichkeit, den Greifer weiter zu entwickeln. Ein drehbares Handgelenk würde

es dem Roboter z.B. ermöglichen, eine bereits angehobene Flasche auch noch

auszugießen.

Ein Aspekt, der auf jeden Fall in Betracht gezogen werden sollte, ist eine

generell kleinere Version des gesamten Roboters. Ursprünglich wurde er so groß

konzipiert, da die Steuerung von einem auf ihn angebrachten Laptop

übernommen werden sollte. Der erst nach der Fertigstellung des Fahrwerks zum

Einsatz gekommene Mikrocontroller hätte aber nur ein wesentlich kleineres

Grundgerüst erfordert.

Dabei stellt sich aufgrund der mittlerweile auftretenden Probleme, die durch den

Mikrocontroller entstehen, allerdings fast schon wieder die Frage, ob nicht ein

Schritt zurück gemacht werden sollte; hin zu einem leistungsfähigeren Controller

oder vielleicht wieder einem Laptop, der dann eventuell wieder auf eine große

Konstruktionsart angewiesen ist.

52

Abschließend lässt sich an dieser Stelle nur sagen, dass die gesamte Entwicklung

dieses Roboters nur als Grundsteinlegung betrachtet werden kann. Während aller

vier Examensarbeiten zu diesem Roboter gab und gibt es ständig neue Ideen und

Verbesserungsmöglichkeiten. Diese entstehen dabei in der Regel gerade während

der Konstruktionsphase, können dann aber nicht mehr umgesetzt werden. Dies

liegt an dem für eine Examensarbeit beschränkt zur Verfügung stehenden

Zeitraum, der eine abschließende Arbeit erwartet. Ansonsten wäre es aufgrund

der während der Entwicklung und Konstruktion neu gewonnenen Erkenntnisse

denkbar gewesen, ursprüngliche Konzepte komplett zu verwerfen und von vorne

zu beginnen.

Dabei zeigt gerade die Entwicklung dieses Roboters aus den vier einzelnen

Examensarbeiten beispielhaft das in der Einleitung bereits erwähnte wichtige

Zusammenspiel der verschiedenen Teilbereiche. So gibt die Kamera zum

Beispiel vor, was überhaupt erkannt werden kann. Der Greifer muss also in der

Lage sein, genau solche Gegenstände anzuheben. In diesem Fall gibt die

Informatik die Vorgaben für die Mechanik.

Dabei ist die Bildererkennungsfähigkeit der Kamera abhängig von dem

Programm, welches ihre Daten auswertet. Dieses wiederum hängt stark mit der

Rechengeschwindigkeit des Controllers bzw. Computers zusammen. Hieran wird

der Zusammenhang von Hard- und Software schnell deutlich.

Bei dem Ganzen gibt das Grundgerüst durch seine Größe allerdings vor, was auf

ihm überhaupt angebracht werden kann. Wäre es zu klein, käme der Einsatz

eines Laptops überhaupt nicht in Frage. Hier ist also in umgekehrter Form die

Informatik in Bezug auf den Einsatz bestimmter Elemente von der Mechanik

abhängig. Außerdem schreibt das Grundgerüst vor, wie viel Platz und

Tragfähigkeit für Controller, Greifarm, und Akkus zur Verfügung steht. Die

Auswahl der daraufhin möglichen Akkus hat wiederum direkten Einfluss auf die

verwendete Elektronik.

In diesem Sinne sollen sämtliche im Rahmen dieser vier Examensarbeiten

gewonnenen Erkenntnisse dazu dienen, die erlangten Erfahrungen weiter zu

geben, um mit ihnen an einer Weiter- oder Neuentwicklung eines zweiten

Roboters zu arbeiten.

53

6 Anhang

6.1 Datenblätter Fertigelemente

Die folgenden Elemente aus industrieller Fertigung sind bei Conrad Electronic56

unter den angegebenen Artikelnummern erhältlich.

LAGERFLANSCH 19

Artikel-Nr.: 216020 - 62 ab 4,45 EUR

Lagerbock für Kugellager

Der Lagerflansch des Bocks ist so präzise ausgedreht, dass sich durch leichtes Einpressen des Kugellagers ein sicherer Halt ergibt. Der Lagerbock ist neben der Verwendung als Achs- und Wellenträger auch sehr gut für den Getriebebau einzusetzen: Bei exakter Aneinanderreihung (entsprechend dem notwendigen Achsabstand) sind Getriebe in den unterschiedlichsten Dimensionen zu erstellen. Durch Anbringung von Bohrungen mit oder ohne Gewinde kann der Lagerbock seitlich oder auch direkt auf Bodenplatten befestigt werden.

Technische Daten

A: 30 mm

B: 30 mm

C: 9 mm

D: 19 mm

E: 11 mm

C-KUGELLAGER 6/19

Artikel-Nr.: 214469 - 62 ab 2,00 EUR

Radial-Kugellager Chromstahl-Ausführung

Präzisionskugellager mit hervorragenden Laufeigenschaften bei höchster Geräuscharmut. Sehr geringes Anlauf- und Reibemoment. Im Reinraum montiert.

Technische Daten

56 www.conrad.de

Ø D: 19 mm

Ø d: 6 mm

B: 6 mm

54

ZAHNRAD 40Z M1 Artikel-Nr.: 231797 - 62 ab 5,45 EUR Zahnrad aus Stahl mit Innengewinde Modul 1 Die Naben des Zahnrads sind mit zwei Innengewinden M4 versehen, mit den mitgelieferten Madenschrauben kann eine kraftschlüssige Verbindung zwischen Zahnrad und Welle hergestellt werden.

Technische Daten

Zähne: 40

Material: Stahl

Modul: 1

Bohrung: 6 mm

Naben-Länge: 6 mm

Naben-Ø: 14 mm

Zahn-Breite: 5 mm

KEGELRADPAAR 19 M1 Artikel-Nr.: 237302 - 62 14,95 EUR

Ausstattung: Technische Daten

• Achswinkel 90°

• Abm. in mm: dk 20,4 • dt 19 • D 15 • NL 6,5 • L 10 • E 11,8 • S 9,2 • b 4 • d 5.

Zähne: 19

Material: Stahl

Inhalt: 1 Set

Modul: 1

55

GETRIEBEMOTOR MFA 540

• Die Abtriebswelle ist sintergelagert. Die Motor-Getriebeeinheit ist auf einem 1 mm starken Stahl-Motorträger fertig montiert.

• Motor bei 6 V/DC - Nennspannung: Leerlauf: Drehzahl 7500 U/min, Strom 0,45 A • Bei max. Effizienz: Drehzahl 6180 U/min, Strom 2,1 A, Drehmoment 1,182 Ncm, 7,49 W • Eff. 59,4 %. • Motor bei 12 V/DC - Nennspannung: Leerlauf: Drehzahl 15 800 U/min, Strom 0,52 A • Bei max. Effizienz: Drehzahl 13 360 U/min, Strom 2,85 A, Drehmoment 1,544 Ncm, 21,2 W • Eff. 61,9 %.

GETRIEBEMOTOR 50:1 4,5-15V 540ER MOTOR Artikel-Nr.: 222365 - 62 22,95 EUR Technische Daten Betriebsspannung: 4.5 - 15 V/DC

Abm.: (Ø x L) 39 mm x 80 mm

Untersetzung: 50:1

Gewicht: 246 g

Wellen-Ø: 6 mm

Wellen-Länge: 15 mm

Leerlauf-Drehzahl an 4,5 Volt: 120 U/min

Leerlauf-Drehzahl an 6 Volt: 158 U/min




GETRIEBEMOTOR 3000:1 4,5-15V 540ER MOTOR Artikel-Nr.: 222368 - 62 25,95 EUR Technische Daten Betriebsspannung: 4.5 - 15 V/DC

Abm.: (Ø x L) 39 mm x 80 mm

Untersetzung: 3000:1

Gewicht: 262 g

Wellen-Ø: 6 mm

Wellen-Länge: 15 mm

Leerlauf-Drehzahl an 4,5 Volt: 1.5 U/min





56

Kugelpräzisionsteilauszüge Die abgebildeten Kugelteilauszüge57 stammen von der Firma Hettich58 und sind im Baumarkt (z.B. Praktiker) erhältlich.

Artikel - Nummer 00494 Artikeltyp Kugelpräzisionsteilauszüge Inhalt 1 Garnitur pro Klarsichtbox Belastbarkeit 12 kg Ausführung verzinkt Schubkastenlänge mm 250-350 mm

Korpusschiene 214 mm Auszugsverlust 72 mm mind. Korpustiefe 251-351 mm Material Stahl

für 27 mm Nut, mit Schrauben Ebenfalls im Baumarkt erhältlich sind die verwendeten Metallwinkel mit den unten abgebildeten Maßen. Die Bohrungen sind in beiden Schenkeln des Winkels symmetrisch angeordnet. Die Stärke des Materials beträgt 2 mm.

57 http://www1.hettich.com:8080/diy/catalog/Start.do?localeId=de&groupId=(%22810%22) 58 http://www.hettich.com/

40

31

12

4

40

20

57

4

4

4

6.2 Technische Zeichnungen

Bezeichnung Name Datum Maßstab Nummer

Lagerbock Thomas Weber 18.12.2006 1:1 1

Zeichnung Lagerbock nur für Lage und Größe der Bohrungen. Alle weiteren Maße können dem obigen Datenblatt entnommen werden.

58


Wellen Thomas Weber 18.12.2006 1:1 2

Ø 6 77

Ø 6

55

59


Gewindestange Thomas Weber 18.12.2006 1:1 3

7 13

9 16

6

Ø 6

M8

60


Pfeiler für Hand Thomas Weber 18.12.2006 1:1 4

15

60

15

M6

15

61


Halterung für Finger Thomas Weber 18.12.2006 1:1 5

20

50

15

6

20

15

M4

M4

5 15

62


untere Platte Greifhand Thomas Weber 18.12.2006 1:1 6

60

alle weiteren Bohrungen Ø 4

6

29

91

200

69

53 51

36

14 32

t = 5

63


obere Platte Greifhand Thomas Weber 18.12.2006 1:1 7

9

8

200

80

190

150

92

5

45 25

120

3

alle weiteren Bohrungen identisch mit Werkstück Nummer 6

t = 5

64

Literaturverzeichnis

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- Wikipedia - die freie Enzyklopädie: Servomotor, Autor unbekannt, online

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67

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Industrieroboter ............................................................................. 10

Abbildung 2: Fertigungsstrecke mit Industrierobotern im Einsatz ..................... 11

Abbildung 3: Schulungsroboter........................................................................... 12

Abbildung 4: Nasa Spirit ..................................................................................... 13

Abbildung 5: Baggerarm mit vier Achsen........................................................... 14

Abbildung 6: Gabelstapler................................................................................... 15

Abbildung 7: Schematische Gelenke-Darstellung eines (Roboter) Arms ........... 16

Abbildung 8: Hände mit zwei und drei Fingern .................................................. 18

Abbildung 9: Hände mit vier Fingern.................................................................. 18

Abbildung 10: Hände mit fünf Fingern ............................................................... 18

Abbildung 11: Der Robonaut .............................................................................. 20

Abbildung 12: Flexibler Drei-Finger-Greifer mit integrierter Sensorik.............. 20

Abbildung 13: aufkommende Kräfte bei einem Greifer...................................... 21

Abbildung 14: Greifer aus der Forsttechnik ........................................................ 22

Abbildung 15: Greifer nach dem FinRay-Prinzip ............................................... 25

Abbildung 16: Flexible Anpassung des FinRay-Greifers.................................... 26

Abbildung 17: Greifhandmodell aus Lego .......................................................... 27

Abbildung 18: Greifarmmodell aus Lego............................................................ 28

Abbildung 19: Greifermodell aus Lego............................................................... 29

Abbildung 20: Vorderansicht Fahrwerk .............................................................. 30

Abbildung 21: Linearführungssystem mit Führungsschiene und Schlitten......... 31

Abbildung 22: Spindelantriebset von „RS“......................................................... 31

Abbildung 23: Kugelteilauszug für Einbauschubladen ....................................... 32

Abbildung 24: Greifer nach dem FinRay-Prinzip ............................................... 36

Abbildung 25: Prototypen eines FinRay Fingers ................................................ 37

Abbildung 26: Endversion eines FinRay Fingers im Belastungstest .................. 38

Abbildung 27: Montage der Führungsschienen................................................... 39

Abbildung 28: Positionen der Elemente der Greifhand....................................... 41

Abbildung 29: Wellen mit aufgebrachten Zahnrädern ........................................ 41

Abbildung 30: Wellen mit ausgerichteten Fingern.............................................. 42

Abbildung 31: fertig montierte Greifhand mit Pfeiler......................................... 42

Abbildung 32: Führungsschienen mit Winkel..................................................... 43

68

Abbildung 33: Greifhand mit Spindel ................................................................. 44

Abbildung 34: Greifer mit installierten Motoren ................................................ 45

Abbildung 35: Erste Greifversuche mit Zylinder und Kontaktsprayflasche ....... 46

Abbildung 36: Kraftmessung des Roboterarms................................................... 47

Abbildung 37: Kraftmessung an der Roboterhand .............................................. 47

Abbildung 38: Testversuch zur Kraft des Greifers.............................................. 48

69

Schlusserklärung „Ich versichere, dass ich die schriftliche Hausarbeit selbstständig verfasst und keine anderen als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt habe. Alle Stellen der Arbeit, die anderen Werken dem Wortlaut oder Sinn nach entnommen wurden, habe ich in jedem Fall unter Angabe der Quelle als Entlehnung kenntlich gemacht. Das gleiche gilt auch für die beigelegten Zeichnungen, Kartenskizzen und Darstellungen.“ Thomas Weber

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Entwicklung und Bau eines Greifers für einen autonomen Roboter · 4 1 Einleitung 1.1 Zielstellung dieser Examensarbeit Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und Herstellung