Kitzelroboter von Frank Linde

Im Januar 2004 fragte fischertechnik im Forum, wer Interesse hätte, innerhalb von zwei Wochen einen Kitzelroboter für eine TV-Sendung zu bauen. Nach ein paar Telefonaten und E-Mails hatten Siegfried Kloster und ich den Job. Die Maschine sollte auf Knopfdruck eine Kitzelbewegung ausführen und wir einigten uns mit der Filmagentur auf eine Vogelfeder, die am Fuß des Schauspielers auf und ab bewegt wird. So etwas kann man ganz einfach machen, aber wir entschieden uns für einen Roboterarm mit 6 Achsen plus Greifer, denn wir wollten zeigen, dass mit fischertechnik auch anspruchsvolle Modelle konstruiert werden können.

Die Dreharbeiten fanden in einem Lehrsaal der Universität Köln statt. Ein Schauspieler, eine Redakteurin, ein Kameramann und ein Techniker für Licht und Ton bildeten das Team. Insgesamt dauerten die Arbeiten nur für die Roboter-Szenen schon mehr als drei Stunden! Jede Szene wurde gedreht, besprochen, leicht verändert und wieder gedreht – und dann das Ganze wieder von vorne, und noch einmal, und noch einmal. Trotzdem war es interessant zu sehen, wie so ein Film entsteht. Wir konnten nur wenig helfen, haben Fotos gemacht, den Dialogen des Drehteams gelauscht und manches Mal gestaunt, auf welche Details dort geachtet wurde.

Es wurden übrigens auch einige Szenen gedreht, die wohl später dem Filmschnitt zum Opfer gefallen sind, denn in dem fertigen Film kommen sie nicht vor. Das Endprodukt kann man unter http://www.kopfball.de/arcflm.phtml?kbsec=arcflm&selFilm=411 im Internet betrachten. Es ist schwer vorzustellen, was für ein Aufwand es war, denn leider ist der Roboterarm im Film nur für einige Sekunden zu sehen.

Nach der Präsentation auf dem Clubtag in Veghel habe ich den Roboter zerlegt und fast komplett neu konstruiert (vorgestellt in Mörshausen und Schoonhoven). Dieser aktuelle Knickarmroboter wiegt 9,2 kg (davon etwa 3 kg Gegengewicht) und wird von insgesamt 10 Motoren angetrieben:

 

Ganz ausgestreckt können noch Lasten von etwa 200 g bewegt werden und das bei einer maximalen Geschwindigkeit von mehr als 750 mm/s. Der Arbeitsraum von ca. 1300 x 1300 x 1200 mm entspricht dem von kleineren Profi-Industrierobotern.

Die Bewegungserfassung erfolgt mit 7 Minitastern und den bekannten Impulsrädern. Leider sind damit nur eine sehr grobe Auflösung und eine geringe Wiederholgenauigkeit realisierbar. Weitere 5 Minitaster und ein Reed-Kontakt dienen als Referenzpunkte. Die Steuerung der zeitkritischen Funktionen übernimmt ein ATMEL ATmega32, der über eine serielle Verbindung vom PC seine Kommandos erhält. Alle Achsen können gleichzeitig bewegt werden. Bis auf die Gegengewichte, zwei Aluminiumachsen und etwas Kleber sind übrigens nur original fischertechnik Bauteile verwendet worden. Die Gegengewichte aus vier Stahlplatten 110 x 90 x 10 mm wurden mit silbernem Lack für Autofelgen den Aluminiumteilen farblich angeglichen.

Eine Besonderheit stellt die Achse 1 dar: Auf einer großen Grundbauplatte dient einer der alten, schwergängigen Drehkränze als Achslager. Wenn der Arm im ausgestreckten Zustand schnell bewegt wird, treten an diesem Drehkranz recht hohe Kräfte auf. Dabei verdreht sich die gesamte Grundplatte und erzeugt Geräusche, als wenn sie im nächsten Moment auseinander bricht.

Deshalb wurde die Grundplatte mit einem Aluminiumrahmen verstärkt und der Drehkranz oben auf ein stabiles Achteck mit 175 mm Durchmesser erweitert, das sich unten auf zahlreiche Bauplatten 15x30x5 (38428) und Bausteine 30 (32879) abstützt. Der obere Kranz schleift über die Bauplatten ohne Räder. So wackelt nichts mehr, aber technisch ist das keine schöne Lösung, denn die Reibung zwischen den Bauplatten (38428) und dem Achteck ist recht groß. Bei einer späteren Version des Roboters werde ich versuchen, das zu verbessern und kleine Räder zu verwenden.

Um hohe Geschwindigkeiten zu erreichen, war bei den Achsen 2, 3 und 4 die Koppelung von jeweils zwei Motoren erforderlich, denn ein Motor kann die notwendige Kraft nicht aufbringen. Obwohl dieses Verfahren einige theoretische Nachteile aufweist, sind die Motoren nur mechanisch synchronisiert. Das funktioniert in der Praxis wesentlich besser, als eine elektronische Synchronisation, weil die Minitaster mit den Impulsrädern für eine gute Regelung zu wenige Impulse liefern.

Überhaupt sind die geringen Impulse pro Umdrehung das Hauptproblem für eine gute Steuerung des Roboterarmes. Die höher auflösenden Walzenräder (32367) mit Gabellichtschranke habe ich aus Platzgründen nicht verwendet. Zur Zeit verfolge ich eine Anregung von Heiko Engelke, die Stromimpulse der Motoren mit einer Elektronik direkt auszuwerten. Erste Versuche waren recht ermutigend, eine fertige Schaltung existiert aber noch nicht.

Eine weitere Schwierigkeit bei mehreren Bewegungsachsen besteht darin, dass sich die Fehler, die durch Spiel in den Lagern entstehen, summieren. Es ist deshalb wichtig, diese Fehler zu minimieren, sonst kann der Greifer nicht genau gesteuert werden, sondern wackelt wie der Schwanz eines Hundes.

Bisher habe ich nur die Achsen 3 und 5 entsprechend optimiert, denn alle anderen Achsen werden vermutlich ohnehin noch einmal umgebaut. Bei Achse 3 wirken vier Schneckenantriebe auf zwei Zahnräder 40, wobei die Schneckenantriebe jeweils eines Zahnrades so gegeneinander verdreht sind, dass das Zahnrad kaum noch Spiel hat. Für den Antrieb der Schnecken ist ein Getriebe aus vielen Zahnrädern entstanden, die im Betrieb interessant anzusehen sind. Die Achse 5 wird über eine Kette angetrieben, welche über zwei Andruckrollen gespannt wird.

Wie überall in der Robotik, gibt es noch viele Verbesserungsmöglichkeiten und interessante Ideen, sowohl im Bereich der Mechanik, als auch bei der Elektronik und Software. Deshalb wird das Thema niemals langweilig und dieser Roboterarm wird sicherlich noch oft umgebaut.

Der nächste Schritt wird sein, den Arm auf ein bereits vorhandenes Fahrgestell zu montieren; dann ist ein kleiner Service-Roboter mechanisch komplett und eine ideale Testplattform für verschiedene Sensorik- und Software-Konzepte. Das Ziel ist ein autonom navigierender Roboter, der einfache Aufgaben erledigen kann, aber bis dahin ist es noch ein weiter Weg...