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Thema: Kletterroboter als Erstlingsprojekt einer Maschineningenieurin

Hybrid-Darstellung

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  1. #1
    Neuer Benutzer Öfters hier Avatar von Getorix
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    Kletterroboter als Erstlingsprojekt einer Maschineningenieurin

    Hallo zusammen,

    ich bin ganz neu hier und stehe ganz am Anfang meiner Planung meines ersten Roboters, also verzeiht mir bitte, wenn ich etwas wirres Zeug von mit gebe und ich euch noch keine genauen Zahlen nennen kann, es steht halt noch alles ganz in der Schwebe und irgendwo möcht ich mal Anfangen. Es wird ein Kletterroboter, der sich mit Heissleim an die Wand klebt und so die Wand hochklettert.

    Für das Ganze habe ich genau ein halbes Jahr Zeit, das ist zwar ambitioniert für eine Anfängerin, aber ich kann das auch fast vollzeitmässig machen, schliesslich durfte ich netterweise das Projekt als meine Masterarbeit deklarieren, obwohl ich eigentlich Maschinenbau studierte. Ich freu mich jedenfalls sehr darauf, mein (bisher nur spärlich vorhandenes) Wissen über Mechatronik und Robotik zu erweitern und auch mal etwas von Elektrotechnik mitzubekommen, ehe ich mich dann Ingenieur nennen darf.


    Einen Prototypen zum Testen, ob das Prinzip funktioniert gibt es bereits: http://www.birl.ethz.ch/Robots/index (die beiden HMA Climber)

    Bei meinem Roboter geht es nun darum, das ganze Prinzip in einen autonom(eren) Roboter zu packen.
    d.h.
    - keine Kabel nach aussen: z.B. Befehlserhalt über Bluethoothverbindung, sicher einen Akku (--> unbedingt bessere Energieeffizienz nötig),
    - mehr Schritte (die beiden Beispiele machen erst 3-4 Schritte), was mehr Sensorik benötigt,
    - Möglichkeit Nutzlast mitzuführen (--> stärkere Aktuatoren)
    - Falls die Zeit bleibt, zusätzliche "Intelligenz": z.B. "Zielpunktsuchaufgabe"
    - ansprechendes Aussehen
    - ....

    Und mal Fragen an alle Mitleser:

    Ehrlich gesagt, weiss ich bei den Komponenten, nicht so recht, wie anfangen.

    - in Sachen Mikrocontroller hab ich mich momentan auf ein Arduino Duemillanove mit ATmega328 festgelegt, weil ich ganz einfach an den herankomme. Mir fehlt aber völlig die Erfahrung um zu beurteilen, ob das für den Zweck eine sinnvolle Wahl ist. Mit welchen Nachteilen muss ich da Rechnen?

    - Bei den übrigen Komponenten weiss ich nicht so recht, wo anfangen. Etwas Kopfweh bereiten mit im Moment vor allem zwei Komponenten: Der Kühlkreislauf und der Akku.

    Der aus energetischer Sicht kritischer Teil ist vermutlich die Kühlung. Denn die ist momentan alles andere als energieeffizient, was für die Prototypenserie, die vom Netz gespiessen wurden, völlig OK ist, aber für meinen Akkubetrieb muss die effizienz besser werden.

    Es geht da darum, den Heissleim erst zu heizen, damit er weich ist und dann zu kühlen (damit er am Roboterfuss kühler ist als an der Wand und somit nicht an der Wand kleben bleibt, sondern mitgezogen wird). Und das ganze an 2 oder 4 verschienenen Stellen.

    Momentan übernehmen 8 Widerstände die Arbeit des Heizens und 4 Peltierelemente (je einen pro Kühlstelle), die an 4 passive Kühlstrukturen <klick> angeschlossen sind, die wiederum von Lüftern angeblasen werden müssen, da die Wärme sonst zu langsam an die Umgebung geht, übernehmen die Kühlung.

    Ich Suche nun nach einem energeieffizienterem System. das Prinzip einer Kompressionskältemaschine ("Kühlschrankprinzip") scheint mir sehr sinnvoll, aber ich finde leider überhaupt keine so kleinen Kühlkreisläufe. Auch andere Wärmepumpen im Kleinstformat wären ganz nett.
    Hat irgend jemand einen Tipp für mich? Oder eine bessere Idee?
    Endtemperatur des Leimes muss halt kühle < 30 ° C sein. (Leimmeinge ist noch unbestimmt, so zwischen 5 - 40 g )

    ---------
    In Sachen Akku weiss ich überhaupt nicht, wo anfangen. Viel Leistung, wenig Gewicht sind gewünscht. Was nimmt man da so Standardmässig und wie steuert man das dann an?

    So was hier scheint mit zwar etwas schwer, aber dadurch interessant, dass ich mir da dank integrierter Elektronik keine Gedanken um das Laden und Entladen machen muss. Besonders nett find ich da die Option, dass man da auch Solarpanels einstöppeln kann. Dann könnte sich der Roboter, wenn er irgendwo weit oben für 2-3 Wochen hängt (z.B. um einen Sender dort zu halten) im Laufe der Wochen wieder aufladen wodurch die Reichweite etwas grösser würde (ist natürlich Spielerei, ich weiss selber, dass ein Heissleimprinzip höchst ineffizient ist und man ein riesige Solarfolie hinterher schleppen müsste, dass es auch für kürzere Wartezeiten interessant wäre).
    : http://www.swissbatteries.ch/dynapag...e=PowerTankXXL

    Die nötige Leistung werde ich in den nächsten Wochen mal mit Messungen an den Prototypen abzuschätzen versuchen. Aber ich wär jetzt schon froh um Hinweise, wo ich Infos zu Akkus finde und natürlich um eure Tipps.

    Die übrigen Komponenten werden voraussichtlich diverse Sensoren, und voraussichtlich 4 Motoren (wohl Modellbauservos oder evt. Schrittmotoren), sowie natürlich mind. eine Kommunikationsschnittstelle mit der Umwelt.


    Liebe Grüsse
    Lina

  2. #2
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    Hallo im Forum,

    Das ganze Thema ist für Einsteiger sehr ambitioniert. Ich hoffe du hast etwas Vorkenntnisse bezüglich Programmierung und Elektronik denn sonst wird das Zeitfenster echt eng!

    Zum Roboter: Die Idee ist ganz interessant. Aber die Umsetzung auf dem Video wirkt ernüchternd bis enttäuschend. Für zwei Schritte benötigt der Bot 90 Sekunden. Das mag zwar für viele Anwendungszwecke ausreichend sein. Aber mir persönlich wäre das zu langsam ^^

    Würde ich das Projekt angehen, würde ich mich von außen nach innen arbeiten. Also in der Reihenfolge Füße->Motoren/Aktuatoren->Rumpf->Versorgung->Sensorik->Kommunikation. Du musst bedenken, dass das Gewicht der Füße ausschlaggebend für die Konstruktion des Bewegungsaparates bzw. die Wahl der Motoren/Aktuatoren hat. Solche Abhängigkeiten bestimmen im Prinzip immer den Ablauf einer Konstruktion. Aber so etwas sollte dir als BoE klar sein. Sollte ja nicht deine erste Konstruktion (zumindest theoretischer Art) sein.
    Alles ist möglich. Unmögliches dauert nur etwas länger!

  3. #3
    Neuer Benutzer Öfters hier Avatar von Getorix
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    Hallo,

    vielen Dank für deine Antwort.

    ja, programmiert und einfache mechatronsiche Systeme (ein Projekt mit 2 Mooren und eines mit 1 Servo) gemacht, hab ich bereits.

    Völlig an Wissen fehlt es mir in Sachen Elektronik. Ich kann gerade mal Spannungsabfälle über Widerstände, Spulen und Kondensatoren rechnen und damit hat es sich schon . Über die verschiedenen Komponenten weiss ich gar nichts, aber das war auch der Grund, warum ich einen Roboter als Projekt haben wollte. Etwas tun, das man noch nicht kann, ist ja lehrreicher als etwas machen, das man kann.
    Und ich hab ja nebenan nicht noch ein Vollzeitjob, sondern höchstens ein paar Vorlesungen, von dem her müsste es klappen, auch wenn ich es zeitlich auch sehr knapp finde und ich am liebsten schon jetzt einen Antrag auf Verlängerung stellen möchte.


    Ja, die beiden Prototypen sind extrem langsam, aber man muss da auch anmerken, dass die beiden Projekte keinen richtigen roboter zum Ziel hatten, sondern von Studenten gemacht wurden um zu testen, ob es überhaupt möglich ist, mit dem Prinzip Klettern zu können und wo da dabei überall Probleme auftauchen und das ganze mit möglichst wenig sonstigem Aufwand. Der zweite Roboter hat z.B. ausser den Servoeigenen Potis nicht einen Sensor.

    Die meiste Zeit braucht das Heizen und Kühlen des Leims. Deshalb ist das momentan einer meiner Hauptanliegen, da das wirklich sehr suboptimal gelöst ist. Heizen ist nicht so das Problem, da fällt mir viel ein, aber das kühlen *weitergrübel*.


    Liebe Grüsse
    Lina

  4. #4
    Moderator Robotik Einstein Avatar von HannoHupmann
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    Hallo Lina

    Zu Problem Nr. 1 - Akkus: Schau dich mal im Modellbauberei nach Lithium Polymer Akkus um (Kurz LiPos) die gibt es mitlerweile in verschiedenen Spannungs und Leistungsklassen. Wurden früher in Flugmodellen eingesetzt aber aufgrund ihres Gewicht/Leistungsverhältnisses auch im RC-Bereich. Ich verwende für meinen Wall-E einen 11,1V Akku mit 4100mAh. Der hat dann aber auch schon eine Zigelstein Größe und für noch mehr Leistung wird das System einfach hoch skaliert. Die Humanoiden Roboter verwenden in der Regel auch alle LiPos nur eben keine mehr für den Modellbau. Leichter mit mehr Leistung wird sehr teuer werden.

    Zu Problem Nr. 2 - Wie wäre es mit einer Wasserkühlung wie sie für PCs eingesetzt wird? Soweit ich weis kühlen die Modder ihre CPUs und Grafikkarten mit Wasser runter. Die Systeme sind klein und effizient. Einfach mal in der Sparte kucken ob etwas dabei ist für dich.
    Ich hab keine Ahnung von Heissleim und wie das Funktionsprinzip davon ist. Vielleicht kannst du dazu etwas mehr schreiben. Temperatur bei der das Zeug schmilzt. Funktionsweise allgemein und im speziellen beim geplanten Roboter. Wieviel Gewicht hält der Heissleim?
    Muss es Heißleim sein? Geht auch Magnetisch oder Pneumatisch (Vakuum)?

    Müssen Kurven gefahren werden oder nur gerade aus? Wo ist der Unterschied zwischen deinem Projekt und dem das die Kollegen schon gebaut haben? Sonst einfach das System mit Akkus kopieren.

    Eine Blauzahn Verbindung sehe ich jetzt nicht als notwendig an, wenn man nicht on the fly die Telemetrie auslesen will / muss.

    Getorix Nicht entmutigen lassen bei einer Masterarbeit/Diplomarbeit weis man am Anfang (in der Regel) nie etwas über das was man macht. Daher arbeitet man sich ja auch erst mal ein. Außerdem kann man in einem halben Jahr sehr weit kommen. Nach der Planungsphase, die eben lange dauert, geht es auch meistens sehr schnell, da man nur noch Teile bestellt und zusammen baut. Programmieren und Texten braucht dann noch etwas Zeit.

  5. #5
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    Wie HannoHupmann schon sagte sind LiPos aus dem Modellbau wahrscheinlich die Akkus mit dem besten Preis/Leistungs/Gewichtsverhältnis. Schau dich mal bei HobbyKing.com um. Die haben einge Artikel im "German Warehous" damit der Versand nicht zu teuer wird. Dort findest du meist auch Abmessungen/Gewicht/Preis.

    Eine Wasserkühlung, oder allgemein Flüssigkeitskühlungen, bedürfen meist einer Pumpe oder einem Kompressor so wie einem Wärmetauscher. Das dürfte alles zusammen zu schwer werden. Was vielleicht noch interessant wäre sind die so genannten Heatpipes. Dabei handelt es sich um verschlossene kleine Röhrchen, die mit einem Kühlmittel mit geringem Siedepunkt ( geschätzt 50°C) gefüllt sind. Wenn dieses KM an der heißen Stelle verdampft nimmt es eine nicht unerhebliche Menge an Wärmeenergie auf und transportiert diese schnell ab, da das gasförmige KM eine entsprechend geringere Dichte als das flüssige KM hat und somit von diesem verdrängt wird. Am anderen Ende der Röhrchen befindet sich meist ein Kühlkörper. Durch diesen Effekt muss aber die Einbaulage beachtet werden! Der Kühlkörper muss wenigstens auf gleichem Niveau, besser über der Heizstelle liegen. Vielleicht kannst du damit was anfangen.
    Alles ist möglich. Unmögliches dauert nur etwas länger!

  6. #6
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    Zum controller: Arduino ist eine gute Wahl, das ist gerade für einsteiger leicht zu programmieren, und es gibt auch viele Besipielscripte. Welcher ist eigentlich egal, da tut es auch ein kleiner Arduino Uno
    Als Antriebe würde ich mal schauen, was es so an starken modellbauservos gibt. Die sind über PWM ganz einfach vom Arduino aus anzusteuern , haben zwar nicht so die hohe Winkelauflösung abert das brauchst du auch nicht.
    Für die Heizung könntest du anstatt der Widerstände eine Induktionsheizung dir überlegen, da kommst du mit der energieeffizienz besser bei rum, denke die Heizung wird das Hauptproblem bei autarker energieversorgung sein. Schau mal bei reprap.org im Forum, da geht es eigentlich um 3d Drucker aber da kennen die sich aus mit kunststoff oder kleber heiß machen und es wurden auch shcon experimente mit induktionsheizung gemacht
    zu der kühlung, einfach einen kühlkörper mit lüfter. ein kühlschrankartiges system mit kompressor wird zu schwer werden. was eventuell noch eine überlegung wert wäre, ein zentraler kühlkörper in der mitte und eine wasserkühlung für die beine dann brauchst du nur einen kühlkörper und sparst gewicht. ausserdem sieht es schick aus ^^
    akku hast du die beste leistung/gewicht bei lipos siehe modellbau..
    meine projekte: robotik.dyyyh

  7. #7
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    Ich sehe das Prinzip Klettern mit Kleber eher etwas skeptisch zum versetzen der "Füße" muss der Kleber immer neu verflüssigt werden UND dabei an den Füßen nicht an dem "Untergrund" haften bleiben und das bei jedem Schritt. Wer schon einmal versucht hat mittels Heißkleber etwas auf Glas oder Fliesen zu befestigen weiß das sich auf diesen Flächen sofort ein Kondenswasser Film bildet der eine feste Verbindung entgegenwirkt. Schmutz und Staubpartikel auf dem zu überwindenden Objekt sind für Klebe Verbindungen auch suboptimal. So ein Kletter Roboter mit Unterdruck und Saugfüßen ist hier vor kurzen vorgestellt worden (sollte sich noch Finden lassen), der sich recht gut an einem Fenster hochgehangelt hat. Der Kleber muss auch bei Kühlem Untergrund so lange Heiß gehalten werden bis sich ein Temperatur Gleichgewicht für eine Oberflächen Verbindung eingestellt hat, erst dann darf gekühlt werden, sonst hält keine Verbindung richtig.....ich habe da leider schon alleine beim "Kleben" Zweifel. Lasse mich aber gerne belehren.

    Gruß Richard

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