Entwicklung einer Steuerplatine für einen Roboter (Hexapod FTW-HEX2)

Entwicklung einer Steuerplatine für einen Roboter (Hexapod FTW-HEX2)

 

Aufgabenstellung
In dieser Diplomarbeit wurde die Aufgabe gestellt, den Hexapod FTW-Hex2 in einer neuen Ausbaustufe so zu verändern, dass er hauptsächlich für Präsentationszwecke genutzt werden kann. Während einer Präsentation soll der Hexapod in der Lage sein, autonom einer Wand zu folgen und Hindernissen selbstständig auszuweichen.
Der bisher verwendete Aufbau war mit ca. 4,5 kg zu schwer, sodass immer wieder Zähne aus den Getriebezahnrädern der Servos ausbrachen, wodurch der FTW-Hex2 zu Beginn dieser Diplomarbeit nicht funktionsfähig war.
Aus diesem Grund soll das Gesamtgewicht des Hexapods reduziert, und bei der Implementierung der Software darauf geachtet werden, schnelle Bewegungen zu vermeiden.

Bei der Entwicklung der Steuerplatine muss darauf geachtet werden, dass diese ohne zusätzliche Komponenten, wie externe Controllermodule, in der Lage ist, den Hexapod zu steuern. Zudem soll es möglich sein, diese Platine auch in die anderen Hexapods der WE einzubauen, um auch deren Gewicht in Zukunft etwas zu reduzieren. Des Weiteren wird anstelle des Infineon XC161 der NXP LPC2368 Prozessor verwendet.
Um einen möglichst sicheren Bewegungsablauf gewährleisten zu können, werden verschiedene Bewegungsarten untersucht und die Stabilste ausgewählt.


Durchführung
Zu beginn diese Arbeit wurde die Steuerungsplatine gemäß den Anforderungen entwickelt, bestückt (siehe Bild 1) und in den Hexapod eingebaut. Anschleißend wurden kleinere Veränderungen an den Beinen und dem Aufbau des Hexapods vorgenommen, sodass ein stabilerer Gang sichergestellt werden konnte.
Nachdem dies geschehen war, wurden zwei verschiedene Möglichkeiten der Fortbewegung betrachtet wie sich der Hexapod Bewegen kann. Zum einen der Dreibeingang, welcher momentan bei jedem Hexapod der WE implementiert ist, und zum anderen der Sechsbeingang.
Dieser Sechsbeingang scheint für den Hexapod am geeignetsten zu sein. Da beim Dreibeingang der Schwerpunkt des Hexapods ziemlich genau in der Mitte liegen muss, damit er nicht zu kippen beginnt. Zudem besteht die Gefahr, dass der Hexapod kippt, sobald Unebenheiten auftreten und der Hexapod diese nicht aktiv ausbalanciert. Des Weiteren stellt diese Bewegung eine zusätzliche Belastung in den Vertikalgelenken dar, da das Gesamtgewicht von drei Servos getragen werden muss. Zum anderen wirkt der Dreibeingang sehr instabil, da sich der Schwerpunkt infolge der Bewegungen leicht verschiebt und dadurch der Hexapod anfängt zu wackeln. Diese Nebeneffekte hätten höchstwahrscheinlich einen erhöhten Verschleiß der Servos zur Folge.
Der Vorteil des Sechsbeingangs ist eindeutig die Stabilität, da sich während der Bewegung alle sechs Beine am Boden befinden und diese nur angehoben werden, um sie in die Ausgangsposition zurück zu bringen. Ein Höchstmaß an Stabilität kann sogar erreicht werden, wenn ein Bein nach dem anderen in die Ausgangsposition zurück gebracht wird. Außerdem wird durch die hohe Stabilität die Gefahr des Kippens weitestgehend minimiert, auch wenn sich der Schwerpunkt einmal verschieben sollte.
Bei der Programmierung konnte die bisherige Software gar nicht, und Teile aus anderen Projekten der WE nur sehr bedingt übernommen werden. Dies lag zum einen daran, dass der FTW-Hex2-2 nur noch einen Ultraschallsensor am Kopf besitzt und zum anderen an dem verwendeten Prozessor. Im Gegensatz zu den meisten bisherigen Projekten der WE wird nicht mehr der Infineon XC161, sondern der NXP L2368 Mikrocontroller verwendet. Zudem soll bei der Programmierung die „Realview Realtime Library“ der Firma ARM bzw. Keil benutzt werden. Bei der „Realview Realtime Library“ handelt es sich um ein Echtzeitbetriebs-system für Embedded Systems. Des Weiteren sollen mithilfe des neu eingebauten XBee-Moduls Telemetriedaten an einen PC gesendet werden, welcher diese Daten auswertet und anschließend den zurückgelegten Weg darstellt.

Fazit
Diese Aufgaben wurden erreicht und es ist nun möglich den Hexapod wie vorgesehen für Präsentationzwecke zu verwenden. Der Bewegungsablauf im Sechsbeingang ist deutlich stabiler als der zuvor verwendete Dreibeingang und somit wurde auch der Verschleiß der Servos signifikant reduziert. Jedoch ist diese Bewegungsart auch um einiges langsamer, sodass der Hexapod nun mehr Zeit braucht, um einen Parcours abzulaufen.
Die entwickelte Steuerungsplatine hat den Vorteil, dass die gesamte Elektronik auf dieser Platine untergebracht ist und dadurch das Gewicht reduziert werden konnte. Zudem wurde die Platine innerhalb des Hexapods untergebracht, sodass die Elektronik nun stärker vor äußeren Einflüssen geschützt ist.
Die Software wurde so entwickelt, dass der Hexapod während der Bewegung seine Umgebung scannt und auswertet. Dadurch konnte der Bewegungsablauf flüssiger gestaltet werden.
 

 

Andy Kaiser (Dezember 2009)

Platine bestückt

FTW-HEX 2-2