Schenkelgelenk mit Servo und Seilzug ?

Hallo miteinander.

Ich plane, ein Schenkelgelenk mit einem Servo über einen Seilzug anzutreiben, schlussendlich soll damit ein Bein realisiert werden.
Da ein Bild bekanntermassen mehr zu sagen vermag als viele Worte, hier eine einfache Skizze des geplanten Wirkprinzips:

Anhang 22348

[ Es sind keine Seile eingezeichnet, die grundsätzliche Idee sollte aber dennoch abzuleiten sein. ]

Über eine Seilscheibe auf dem Horn eines starken (100+ Ncm) Servos soll über ein Seil ein Ausleger bewegt werden.
Dazu ist das Seil sowohl auf der Seilscheibe, als auch mittig (ggf. hinter einer deutlich kleineren Scheibe) am Ansatz des Auslegers befestigt, es kommt eine Untersetzung von etwa 5:1 zum tragen.
Zwei kleine Ablenkrollen / Pins direkt hinter der Seilscheibe verhindern, dass das Seil zu sehr durchhängt [das Seil soll damit nahe am Arm geführt werden].

A zeigt den neutralen Zustand, bei B ist der Ausleger durch eine Drehung der Seilscheibe von > 45° um > 180° geschwenkt worden.


Jetzt wollte ich die allgemeine Meinung zu dem grundsätzlichen Konzept hier einholen.
Was denkt Ihr, ist so etwas auf diese Weise überhaupt zu machen, oder gibt es günstigere Alternativen ?

[ Seilzug sollte bleiben, in der Fortführung des Konzepts sollen überdies in die Seile Federelemente eingebracht werden (Stichwort: biologisch inspirierte, elastische Gelenke), daher auch die grosse Untersetzung (zum späteren Spannen der Federelemente bei vollem Ausschlag des Auslegers durch Verwendung des restlichen Aktionsradius des Servos. ]


Ich freue mich auf jegliche konstruktive Kritik.

Was mir zum Konzept einfällt:
1. Seile können nur auf Zug beansprucht werden, auch beim biologischen Vorbild sind normalerweise 2 Aktuatoren (Muskeln) mit Seilen (Sehnen) am Gelenk verbunden, die dann quasi gegeneinander arbeiten. In der Biologie ist die Anzahl der Aktuatoren offenbar nicht so ausschlaggebend, in der Technik versucht man die Zahl der Aktuatoren möglichst klein zu halten. Zumindest auf den ersten Blick scheint es ungünstig wenn ein Stellmotor, der in beide Richtungen ein gleich großes Moment ausüben kann, nur in einer Richtung beansprucht werden soll.
2. Aus der Skizze und Beschreibung ist mir die beabsichtigte Seilführung nicht ganz klar geworden. Das Übersetzungsverhältnis ist aber im Allgemeinen vom Beugewinkel des Gelenks abhängig, so dass man sich wenigstens für einige exemplarische Beugewinkel rechnen muss, ob das Moment des Servos für die angenommenen Lastfälle genügt.
3. relativ große Momente bei kleinem Stützabstand bedingen große Kräfte, die von den beteiligten Elementen mit vertretbarer Verformung und Verschleiß ausgehalten werden müssen.
4. Der Sinn zusätzlicher Federelemente erschließt sich erstmal nicht, es klingt aber danach, dass der Motor ständig ein relativ hohes Moment aufbringen muss um die Federvorspannung zu halten. Das wäre natürlich ungünstig in Bezug auf den Energieverbrauch.

zu 1.: ja, ganz genau, das ist der Hintergedanke dabei - deshalb die Implementierung mit Seilen

2. & 3.: jeweils am gedachten "Horn" des Servos ein Seilende befestigen, bei einer Drehung wird es durch eine Seilscheibe auf Länge gehalten [bei einem Horn würde sich die Spannung des Seiles bei Stellungen != 90 ° verändern, dies soll hier die Seilscheibe verhindern], durch eine Führung dicht über dem Arm zur Befestigungsstelle am Ausleger, wo das Seil auf halber Länge ebenfalls befestigt ist

4.: Den Hintergedanken hattest Du unter 1. schon tangiert - die Federn können einerseits die Wirkung des Antagonisten im biologischen Vorbild bei einer entsprechenden Vorspannung im Neutralzustand nachahmen, andererseits aber bei Bedarf auch zusätzlich gespannt werden, um einen Ruck oder Sprung zu realisieren [in diesem Falle würde der Drehpunkt durch eine Solenoidbremse blockiert, dann die Feder durch ein Weiterbewegen des Servos gespannt, die Bremse gelöst, (...) ]


Vordergründig ginge es mir darum, erst einmal ein grundsätzlich funktionierendes Konzept zu erspinnen - Energieverbrauch und andere Randbedingungen stehen dabei zunächst hinten an.

Mir kommen die Größenverhältnisse etwas anspruchsvoll vor. Der Radius der Seilscheibe ist ca. 20mal kleiner als die Beinlänge. Da wird man mit großer Kraft im Seil arbeiten müssen und die Konstruktion und das Seil in Zugrichtung müßten sehr starr sein.

Bei Seilen denke ich an solche Konstuktionen wie das Skalenseil im alten Radio das war in Zugrichtung auch einigermaßen starr aber die benötigten Kräfte waren klein und die Seilscheiben waren dabei noch recht groß.

Ich verstehe Deine Bedenken, kann den Grössenverhältnissen, die Du annimmst, aber nicht folgen: Die eigentliche Seilscheibe [Du meinst die direkt am Servo, oder ?] steht zu der gesamten Beinlänge in einem Verhältnis von weniger als 8 zu 1, das klingt doch schon anders ;)

Die Kräfte machen mir dennoch Sorge, es soll schon noch ein bisschen von dem Drehmoment des Servos an der Beinspitze wirksam bleiben ...

Habt Ihr vielleicht alternative Vorschläge, wie eine solche Konstruktion umzusetzen wäre ?

Es geht also um die dynamische Freisetzung von Energie aus einem Federspeicher. Der Auflademechanismus des Speichers (Servo) soll die Dynamik der Freisetzung nicht behindern. Ein weiterer (noch nicht explizit angesprochener) Aspekt ist, dass die Masse der hoch beschleunigten Bauteile einigermaßen gering gehalten werden soll, der Motor soll also nicht gerade an der Stelle mit den höchsten Beschleunigungen sitzen.

Die Sache mit dem Seil gefällt mir eigentlich deshalb nicht, weil Seile die Tendenz haben von ihren Führungselementen abzuspringen, wenn sie nicht ständig auf Zug gehalten werden. Eine Ausnahme bilden kurze und relativ steife Seile, ein steifes Seil verbietet sich aber im gegebenen Konstruktionsvorschlag, weil sich im Bereich des Gelenks eine starke Krümmung ergeben muss. Dieses starke Umbiegen des Seils ist ebenfalls kritisch zu sehen (auf Hinblick auf die Lebensdauer des Seils).
Um die Unsicherheit mit dem Seil zu beseitigen, würde ich vorschlagen, die Entkopplung des Motors bei der Auslösung der Feder anders als über die eher unkontrollierte Bewegung des Schlappseils zu realisieren. Es gibt ja einfache technische Möglichkeiten, z.B. Linear: ein Zapfen in einem Langloch oder Rotatorisch: zwei Scheiben auf einer gemeinsamen Welle mit jeweils einem Zapfen als Mitnehmer, die Momentenübertragung ist nur möglich durch Berührung der Mitnehmer. Eine Aufladung der Feder kann dann immer noch mit einem Seil erfolgen um den Motor an eine günstigere Stelle zu plazieren, das Seil kann aber eindeutiger geführt werden. Bei der gesamten Konstruktion ist natürlich auch noch die Hemmung (Solenoidbremse) zu berücksichtigen (diese ist vermutlich auch relativ schwer).

Zitat:

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Dazu ist das Seil sowohl auf der Seilscheibe, als auch mittig (ggf. hinter einer deutlich kleineren Scheibe) am Ansatz des Auslegers befestigt, es kommt eine Untersetzung von etwa 5:1 zum tragen.

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Ich meinte die kleine Seilscheibe die 5 mal kleiner ist und die die Seilspannung aufnimmt und in das Moment für das Bein umsetzt. Wenn es vom Servo aus ein Verhältnis von 8 ist dann ist es von der kleinen Seilscheibe aus ein Verhältnis von 40. Das Bein würde dann an einem 40stel seiner Länge durch ein Seil bewegt.
Dafür sollte man das Richtmoment abschätzen, also die Dreh-Federkonstante, d.h. die Kraft pro Strecke mit der sich das Bein-Ende gegen die Seilspannung bewegen läßt.

zu ranke:
Ja, die Aversion bezüglich der Seile hatte ich ursprünglich auch, da habe ich noch mit einer doppelten Hebel- (Horn-) Konstruktion gespielt, diese wiederum verbietet aber eine sinnige Untersetzung, wie sie für die Aufladung der Feder nötig wäre. Vielleicht gehe ich diesem Ansatz aber nochmal nach.

Den Gedanken mit einem zusätzlichen Mechanismus für die Aufladung hatte ich auch schon, jedoch bringt dieser Ansatz gleich mehrere Nachteile mit sich:
- das Gewicht und die Anzahl benötigter Komponenten steigt, mit dem relativ kleinen Masstab der Konstruktion sind beide Aspekte nur schwer zu vereinbaren
- bei der Freisetzung der durch den Federspeicher gespeicherten Energie schlägt diese ggf. auf den Servomechanismus durch [insbesondere bei einer Realisierung mit Hebeln und Stangen], im besten Falle müsste der nun vom Federmechanismus entkoppelte, nur noch für die "Grundpositionierung" verwendete Servo jedoch die Federwirkung möglichst schnell nachahmen, um jener nicht im Wege zu stehen - selbst wenn das möglich wäre, würde es die Federwirkung ad absurdum führen

Wegen der Solenoidbremse bin ich mir noch nicht sicher, inwiefern diese konkret zu realisieren wäre - eine Standardausführung [eines Solenoid] wäre entsprechend klein und leicht zu wählen, oder gar für den konkreten Anwendungsfall neu zu konstruieren. Diesen Punkt habe ich erst einmal nach hinten gesetzt [Teile und herrsche .. ]

zu Manf:
Ah, okay. Dann verstehe ich Deinen Einwand jetzt auch gänzlich.
Fairerweise muss ich dazu sagen, dass die Dimensionen der Seilscheibe(n) mehr aus der Not heraus entstanden sind - ursprünglich war die beinseitige Scheibe deutlich grösser, nur damit müsste dann die Scheibe am Servo eine grössere Bewegung durchführen, um den gewünschten Bewegungsradius zu ermöglichen.

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Es gibt wohl noch viel zu überlegen.

Ausgehend von einer blossen Idee ergaben sich bei dem Versuch eines mechanischen Konzepts für diese Idee schnell so viele neue Fragen, dass ich den Weg wählte, hier nochmal zusätzliche Anregungen einzuholen.

So weit scheint es sich ja bestens zu lohnen.

Danke Euch dafür.

Ja, fragen kann man immer.
Ich habe einmal einen alten (ca. 20Jahre?) Hexapod gesehen bei dem die Beine durch Seilzüge angetrieben wurden. Hier wurde bewußt durch große Seilrollen am Abtrieb eine hohe Seilspannung vermieden. Der Drehwinkel am Antrieb war dafür eben größer als die 180° eines Modellbauservos. Besonders überzeugend sah es zwar auch nicht aus aber immerhin lief es mal.