Messarm

Hallo!

Im Zuge eines Robotik - Projekts im Informatik Studium sollen wir (unsere Arbeitsgruppe) einen Messarm für einen autonom agierenden Roboter, genauer einen Hubschrauber bauen. Es handelt sich dabei um einen c.a. einen Meter großen elektrischen Modellhubschrauber, der nun auch indoor getestet werden soll, damit Testreihen nicht mehr witterungsabhängig sind. Das Problem liegt nun darin, daß hierfür in einen 5m x 5m x 4m ein Meßarm eingebaut werden soll, der einerseits eine genaue Posititions- und Neigungsbestimmung liefern soll, andererseits aber auch noche einen Absturzschutz bieten soll, wil heißen der Arm ist kürzer als die höhe des Raumes o. ä., wobei der Hubschrauber selbst in einen Käfig aus Carbonstäben eingebaut ist. Bisher haben wir uns überlegt einen zweigelenkigen Arm aus Carbonstäben

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und Gelenken mit Meßvorrichtungen
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bauen in folgender Form zu bauen. (Die Zahlen geben die Anzahl der Gelenke an = Dimensionen) __________________ 2 \ \ \ \ 1 / / / / 3 ___+___ | | --------

Leider würde das unseres Erachtens den Arbeitsraum des Hubschraubers sehr stark einschränken. Da wir alle Informatiker sind und wenig technisches (mechanisches) Wissen haben, würden wir uns ehr freuen, tips für die Gestaltung eines solchen (oder eben anderen ) Meßarms zu bekommen.

Viele Grüße Christoph Henseler

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Christoph Henseler
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Moin,

Christoph Henseler hat geschrieben:

Ja, wenn das mit '1' beschriftete Gelenk an die Decke stöst ist schuß. Lösen ließe sich das, wenn das Gelenk an der Decke auch zusätzlich noch um die Hochachse drehbar wäre. Allerdings ist dann die Zuordnung von Hubschrauberlage und Gelenkwinkel nicht mehr eindeutig. Und noch ein Problem: Wenn dier Schrauber ducht unter der Decke am Aufhängepunkt vorbeifliegt, muß dieses Schwenken des Arms in sehr kurzer Zeit passieren. Es müssen also zwei über 2m lange Arme schnell gedreht werden. Und dann soll das Ganze auch noch Kräftefrei für den Hubschrauber passieren.

Gerade das mit der Kräftefreiheit für den Hubschrauber ist wichtig denke ich. Das bedeutet aber, daß sich der Arm auch aus eigener Kraft im Raum bewegen können muß, ein Roboterarm sozusagen. Kannst du dir so langsam vorstellen, was du da vorhast? Und diese Kräftefreiheit einfach dadurch zu realisieren, daß man den Arm sehr leicht macht, ist imo aussichtslos. Allein die drei Winkelmesser direkt am Hubschrauber dürften schon einiges wiegen.

Schau dir Industrieroboter an, die Verzichten auf Leichtbau und kompensieren das mit _Kraft_ :-) Aber auch die haben nicht so einen gigantischen Arbeitsbereich, wie du es vor hast.

Vorschlag zur Güte: Befestige den Hubschrauber an mehreren ganz dünnen (=leichten) Neylonfäden die sich aufwickeln lassen, der Wickelmotor muß natürlich genau gesteuert werden könnnen. So kann man 6 Entfernungen messen. Die Fäden laufen zwar am Hubschrauber zusammen, aber nicht alle am selben punkt. Mit ein bischen Rechnerei lässt sich so aus den gemessenen Distanzen zu sagen wir mal den Raumecken sowohl Position als auch Fluglage (Winkel) bestimmen. Sollte jetzt das Fluggerät die Begrenzung überschreiten (Kollision), wird einfach an den richtigen Schnüren gezogen.

Alle Fäden müssen natürlich ständig angemessen gespannt sein und diese Spannung muß dementsprechend auch gemessen werden. Eine geschickte Regelung könnte dafür sorgen, daß sich die Fadenzugkräfte aus allen Richtungen am Hubschrauber zu Null ausgleichen.

Dazu sind also ein paar Angelleinen, ein schneller Wickelmotor mit Drehwinkelmessung an der Garnspule sowie eine Zugspannungsmessung in der Leine (Drehmomentmessung an der Garnrollenwelle) nötig. Der Rest ist Geometrie, regelungstechnik, einiges an schneller Software,... - also 'nur' Sachen, die euch Informatikern einigermaßen in den Kram passen:-)

Wenn du auf den Kollisionsschutz verzichten könntest, könnte man auch einen Lasertracker verwenden. Solche Geräte gibt es zur Vermessung der Flugbahn von Flugzeugen beim Landeanflug - das braucht man, um das Instrumentenlandesystem eines Flughafens zu kalibrieren/überprüfen (=> aerodata). Ob es solche Lasertracker auch in klein gibt, weis ich nicht. Aber es spricht an sich nichts dagegen.

Jedenfalls halte ich den Karbonfaserarm für nicht machbar, da er zu schwer wird, was man mit Aktoren kompensieren muß, was zu weiterem Gewicht führt, was wiederum,....

CU Rollo

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Roland Damm

"Roland Damm" schrieb:

Hi, alles weitere unten unter der Annahme, daß ich es richtig verstanden habe, daß der Meßarm unter der Decke hängt.

Das kann man beides über eine geeignete Arbeitsraumüberwachung und Bahnsteuerung verhindern. Insbesonders wichtig in diesem Zusammenhang ist die Vermeidung von "nicht eindeutigen" Zusatänden des Meßarmes.Ist der Arm beispielsweise nach unten gestreckt, dann muß die Steuerung dem Roboter eine Vertikale Bewegung untersagen. Gleiches gilt für eine Halbkugel unterhalb der Aufhängung des Meßarmes. Dort darf der Hubschrauber einfach nicht einfliegen.

Bei geeigneter Bahnsteuerung des Hubschraubers lassen sich die Kräfte minimieren.

Gerade hier liegt m.E. die Aufgabe für die Informatiker, eine geeignete Steuerung zu programieren. @ Christoph: korrigiere mich bitte, wenn ich falsch liege. Wenn ich mich da richtig an meine Erfahrungen mit einem Kuka-Roboter erinnere, dann gibt es maximale Achsbeschleunigungen (Gelenkbeschleunigungen), die in diesem Zusammenhang zu berücksichtigen sind. Die lassen sich aber leicht ausrechnen und in eine Steuerung integrieren. Man sollte dabei immer berücksichtigen, daß bei der Robotersteuerung unterschieden wird zwischen PTP (Point-to-Point)-Bewegungen und LIN-Bewegungen. PTP-Bewegungen sind bewegungen, wo jede Achse gleichzeitig die Endstellung erreicht und LIN-Bewegungen sind Bewegungen, bei denen das Werkzeug (hier der Helikopter) linear und mit gleicher Ausrichtung von P1 zu P2 fährt. LIN-Bewegungen haben den Nachteil, daß die von Dir beschriebenen Überschreitungen der Achsbeschleunigungen schnell erreicht werden. Deswegen sollten die angehenden Informatiker auch die Steuerung mit einem Vorlauf von mindestens 2 Bewegungen vorberechnen und auf mögliche Steuerungskonflikte (Achsbeschleunigungen, indifferente Zustände, Arbeitsraum) bei der Bahnberechnung kontrollieren.

Wenn das Lasten/Pflichtenheft eine Absturzsicherung vorsieht, dann ist der Arbeitsraum einfach eingeschränkt. Um indifferente Zustände des Armes, der m.E. richtig ausgelegt ist, zu vermeiden, würde ich am Fußpunkt des Armes und am Hubschrauber eine Angelschnur befestigen, die Oben aufgewickelt und unter Spannung gehalten wird.

Schöne Grüße F.Fischer

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Falko Fischer

man wohl nicht alles haben: Wenn auf die Absturzsicherung verzichtet werden kann, würde ich mir mal Gedanken über den Einsatz eines Indoor GPS-Systems machen. Siehe auch

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Messgenauigkeit ab 12 m Meßabstand besser als ein Lasertracker. Je nach Tragfähigkeit des Hubschraubers würde ich 3 Empfänger am Hubschrauber zur Positions- und Orientierungsbestimmung anbringen (Empfänger sind etwa so groß und so schwer wie 1 Eurostück. Ca. 4 - 6 Sender in einer Fabrikhalle und natürlich noch ein Referenznormal (2 Empfänger) als Meßbasis machen dann eine 3D-Koordinatenmessmaschine in Hallengröße.

Die aufbereiteten Empfangssignale lassen sich einfach per WLAN vom Hubschrauber übertragen.

Und vielleicht genügt ein Fangnetz a la Zirkuszelt als Absturzschutz.

Gruß Christian Meiners

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Chris Meiners

Hallo!

"Falko Fischer" schrieb im Newsbeitrag news:ahhsb.49508$ snipped-for-privacy@twister.austin.rr.com...

Tut er jetzt. :-)

Dis Zielsetzung dieses Projektes liegt darin, gewissermaßen eine Testeinrichtung für den Hubschrauber zu schaffen. Der Hubschrauber hat natürlich interne Sensoren, mittels derer er seine Lage im Raum berechnen kann. Der Meßarm soll nun zu zweierlei dienen:

  1. soll es möglich werden, die interne Positionsbestimmung des HS mithilfe der externen Sensorik (Meßarm) abzugleichen, um die Sensoren im Hubschrauber bzw. die Sensorauswertung zu überprüfen.

  1. sollen die Steuerungsalgorithmen des HS getestet werde, wofür einerseits wiederum die externe Sensorik gebraucht würde und andererseits der Absturzschutz, da ansonsten die Gefahr, daß der HS bei einem Absturz ernstlich beschädigt wird, sehr groß wäre.

Nun noch einige technische Daten:

- ein Carbonrohr mit 6mm Außen- und 5mm Innendurchmesser wiegt 12,4g/m

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Seite 29)

- Der Hubschrauber wiegt ca. 2000g und kann ca. 1000g heben

- Winkelmesser ~25g (Beispiel:

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Viele Grüße und besten Dank

Christoph Henseler

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Christoph Henseler

Moin,

Christoph Henseler hat geschrieben:

Das ist eine interessante Frage: Hat ein Kreiselsystem, mit dem er seine Winkellage mißt? Wenn ja, kann man doch dieses Meßergebnis abgreifen, dann braucht man nicht noch mal drei Winkelsensoren an der Verbindung Hubschrauber-Meßarm. Das spart Gewicht und ein Kreisel sollte an sich doch genau genug sein.

Na ja, vorher muß man erst mal die Positionsbestimmung durch den Meßarm mit der Realität abgleichen:-) Aber das ist mit Leiter, Lot und mehreren Bandmaßen ja kein Problem.

Dumm ist ja, daß der voll ausgefahrende Meßarm den Bewegungsraum des Hubschraubers auf eine Halbkugel einschränkt. Das ist vermutlich nicht erwünscht. Deshalb würde ich den Arm so lang bauen, daß er den gesamten erwünschten 'Luftraum' abdeckt. Als Absturzschutz würde ich ein aktives System mit Fangleine einbauen. Also eine Schnurrolle, die den Aufhängepunkt unter der Decke mit einer Schnur mit dem Hubschrauber verbindet. Ein E-Motor bringt ein konstantes geringes Moment auf die Schnurrolle und setzt somit die Schnur ständig unter geringe Spannung. Erst das Meßsystem liefert Alarm bei Kollisionsgefahr und erst in dem Fall wird voll Strom auf den Wickelmotor gegeben und er zieht so den Hubschrauber richtung Sicherheit, also Raummitte/Decke.

Nicht schlecht, jetzt müßte nur noch ein Wissender mal abschätzen, welche Steifigkeit so ein Stab hat. Wie weit biegt er sich aufgrund Eigengewicht durch und welche Eigenfrequenz hat so ein Teil?

Gut, dann sollte das nicht so das Problem sein. Aber das Gewicht des Arms im stationären Fall kann man ja durch Gegengewichte ausgleichen, nur die Trägheit des Arms ist noch störend.

CU Rollo

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Roland Damm

Ich schlage Funktionsteilung und entsprechend andere Lösungen vor:

  • Positionsbestimmung: z.B. optisch (wurde nicht hallen-gps oder lasern von jemandem vorgeschlagen?)
  • Absturzschutz: z.B. Seilautomatik (wurde auch schon vorgeschlagen) Und die Idee mit dem Messarm vielleicht vergessen?
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Carsten Schald

Moin,

Carsten Schald hat geschrieben:

Weia, so viel? Na ja....

Selbst das gibt schon einen Positionsfehler von runden einem halben Meter (wenn man Winkel an der Einspannung mal Armlänge nimmt). Aber der Arm ist ja wohl als einseitig eingespannt zu betrachten, schließlich sollte er sich ja nicht an dem Hubschrauber abstützen.

Die Betrachtung liefert aber eine Größenordnung.

Doch, nur eben keine kontinuierlichen und harmonischen. Aber wechselt er schnell seinen Ort um sagen wir einen Meter, dann braucht es bei einer Arm-Eigenfrequenz von 0.1Hz und der zu erwartenden geringen Dämpfung gut eine Minute zum Einschwingen. Also muß der Hubschrauber seine neue Position wenigstens eine Minute lang genau halten, bevor eine Positionsmessung gemacht werden kann - das dürfte inakzeptabel sein.

Na ja, man muß vor der Messung nur lange genug still halten. Das Ganze würde ganz schön langweilig werden:-)

Aber wenn man es trotzdem versucht. Man muß den Arm ja nicht aus einem einzelnen solcher Rohre herstellen. Zumindest für den ersteren, den der an der Decke hängt, würde ich auch von wegen Torsionssteifigkeit eine Art Gitterkonstruktion wählen. Als Basis vier von diesen Rohren verwenden und diese alle paar dm biegesteif mit ein bischen GFK oder so verbinden. Also:

________________________ __R____|__________|_____ | | | | _______|__________|_____ __R____|__________|_____

R sind die Rohre, der senkrechte Streifen ist ein Band aus Kohle/Glasfaser mehrfach herumgewickelt mit genügend Epoxyd verklebt.

Das sollte drastisch Stabilität bringen. An den Stirnflächen lassen sich dann Kopfplatten anbringen, an denen man den Rest der Mechanik anbringen kann.

Und sowas bringt vor allem Torsionssteifigkeit, weil davon war ja noch gar nicht so die Rede. Was ist, wenn die beiden Arme 90°-Winkel haben und der zweite am Ende senkrecht zur Achse des ersten bewegt wird?

Jedenfalls glaube ich nach den oben genannten Zahlen bezüglich der Steifigkeit nicht mehr so recht an eine solch einfache Machbarkeit.

CU Rollo

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Roland Damm

[...]

Sorry to piss on your parade...

Aber nachdem Hubschrauber nunmal mein Tätigkeitsfeld sind, ein paar klitzekleine Denkanstösse:

1) Durch selbst _minimale_ Kräfte auf die Zelle (in Folge des Arms) wird das Flugverhalten des h/c beeinträchtigt. Stichworte dazu sind: dynamic rollover, Momentausgleich um die Längsachse uvam => Der angebliche Absturzschutz verkehrt sich u.U. gerade ins Gegenteil, wenn die Hauptrotorblätter in den Heckausleger einschlagen.

2)Der Käfig und der Aufbau beeinträchtigen die Strömungsverhältnisse um die Rotoren => verfällschtes Flugverhalten!

3) Ein Abstand von unter einem Hauptrotordurchmesser zu Hindernissen erzeugt Bodeneffekt bzw. auf der Rotoroberseite u.U. strömungstechn. Paradoxa (Festsaugen an der Decke).

Vorschlag meinerseits: Telemetrieauswertung via Funk + Positionsbestimmung des Flugkörpers via einer Kombination aus einem kleinen Radar + Laser(n). Das alles berührungsfrei und gut.

Für den Absturzschutz dann noch dreierlei:

  1. Eine Notautomatik, die eine Autorotation einleitet und wieder ausleitet.
  2. Ein Kufenlandegestell, das ausreichend viel wegdämpft und bei leicht schiebendem Aufprall auf den Boden nicht sofort einen Überschlag des h/c bewirkt.
  3. Eine brettebene Fläche aus Asphalt oder Beton, auf der man diesen Versuchsaufbau hovern/fliegen lässt.

Gruss, Robert

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Robert Wittmann

Die Idee klingt noch cleverer als mein Vorschlag!

Die Idee würde ich ganz schnell verwerfen, denn solange die Blätter noch drehend in dieses Netz einschlagen, wird das Hauptgetriebe mit Sicherheit zerstört => Totalschaden.

Noch eine Frage zum Thema Autorotation: Hat der Modell-Hubschrauber einen Freilauf?

Gruss, Robert

PS.: Zum Thema Fesselflüge von Hubschraubern in Hallen gibt es viele "Vorher - Nachher Bilder" aus vergangenen Tagen ;-)

Reply to
Robert Wittmann

Moin,

Robert Wittmann hat geschrieben:

War nicht die Rede davon (oder habe ich das nur falsch verstanden), daß der Hubschrauber sowieso ein Schutzkorb um sich herum mit sich führt? Dadurch würde ein gewisser Sicherheitsabstand des Rotors zu jeglichen Objekten garantiert. Die Frage wäre trotzdem, ob ein plötzliches Kippen der Achse zu übergroßen Lagerkräften führt oder vieleicht die Achse zu weit neigt so daß sie anschlägt. Haben solche Modellhubschrauber eigentlich eine gelenkige Rotorachse?

CU Rollo

Reply to
Roland Damm

"Robert Wittmann"

Der Autorotation stimme ich voll zu (am eigenen Leib erfahren) - ist Hubi-spezifisch am sichersten. Punkt 2 ist wirklich wichtig.

Strömungsmechanischen Betrachtungen stimme ich voll zu.

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Carsten Schald

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