Fünf-Achsen-Roboterarm TCP/IP über Raspberry Pi

Mechanischer Aufbau

Die mechanische Konstruktion basiert auf Holz, metallischen Werkstoffen und 3D-Druck-Teilen. Fast alle Bestandteile können kosteneffizient im Wasserstrahl- oder Laserverfahren ausgeschnitten werden. Der erste Prototyp bestand völlig aus Holz und gestaltete sich dadurch sehr flexibel: kleine Änderungen wie Bohrungen konnten sehr schnell umgesetzt werden. Im Weiteren wurde der Turm (Oberarm) mit Stahl verstärkt, Aluminiumbleche auf der Achse 2 erhöhten die Steifigkeit. Die weiteren Achsen 3, 4 und 5 stammen aus dem 3D-Drucker.

Insbesondere bei der, einen Zahnriemen umlenkenden, Achse 4 hilft die gestalterische Freiheit des additiven Verfahrens enorm. Leider besitzen die 3D-Druckteile nur eine geringe Steifigkeit, die von dem FDM-Verfahren und den verwendeten Filamenten herrührt.

Die Berechnung der Antriebsauslegung barg die grösste Herausforderung. Der Roboter wurde auf die HDrive17-Motoren ausgelegt. Damit das System später möglichst exakt arbeitet, ist eine spielfreie Kraftübertragung zu gewährleisten.

Da Well- oder Zykloidgetriebe kostenintensiv sind, wurde ein Zahnriemengetriebe (Bild 2) gewählt. Die Riemen sind leise, präzise und besitzen einen sehr hohen Wirkungsgrad von mehr als 95% bei der Drehmomentübertragung. Das notwendige Drehmoment der jeweiligen Achsen ergibt sich aus der geschätzten mechanischen Trägheit, multipliziert mit ihrer maximalen Beschleunigung. In dem implementierten System werden folgende Drehmomente erreicht:

Achse 1Achse 2Achse 3Achse 4Achse 5
6 Nm18 Nm26 Nm3 Nm1 Nm

 

Das Drehmoment der Achse 3 fällt mit 26 Nm vergleichsweise hoch aus.

Die Leistung und Dynamik des Roboters hängt nicht nur vom Drehmoment sondern auch von der Verteilung der schweren Antriebe im System ab. Zahnriemen können das Drehmoment auch über eine längere Distanz leiten. Somit tragen die im Sockel oder Turm des Roboters befindlichen Antriebe der Achsen 1, 2 und 3 kaum zu seiner Trägheit bei. Dazu werden die Drehmomente über Hohlwellen (Bild 3) im Roboter weitergeleitet. Die Welle, welche Achse 2 bedient, beinhaltet somit eine zweite Welle. Diese wiederum leitet das Drehmoment vom Motor 3, welcher sich im Sockel befindet, zur Achse 3 weiter.

Die Riemen werden zur Erhöhung der Steifigkeit und Reduzierung von Spiel gespannt. Dazu werden Kugellager an die Riemen gepresst, welche mitdrehen und nahezu keinen Widerstand verursachen. Die Riemenspannung wird dann mit einer Schraube justiert, die das Kugellager an den Riemen presst. Mit den vielen Riemen im System gestaltet sich der Justieraufwand hoch, Lösungen mit kostenintensiven Wellengetrieben werden zur mechanischen Vereinfachung rechtfertigbar.

Obgleich der bereits hohen Steifigkeit der Zahnriemengetriebe, muss auch der gesamte mechanische Aufbau möglichst unnachgiebig sein, damit die Riementriebe wirklich spielfrei laufen. Deshalb wurde insbesondere bei der ersten Achse auf eine spielfreie Lagerung geachtet, da diese den grössten Einfluß auf die Genauigkeit nimmt: Ein Grad Spiel würde am 0,8 m entfernten Endeffektor +-14 mm Positionsungenauigkeit verursachen. Die Lagerung dieser ersten Achse wurde mit zwei verspannten Kegelrollenlagern umgesetzt. Mehr Erfahrung zur Wellenlagerung, Wellen-Naben-Verbindungen und mechanischer Konstruktion könnte das System aber nochmals signifikant verbessern.