Andreas Harrenberg
Mikrocontroller » RoCa2011 » Servoupdate
Der RoCa2011 Lastarm ist natürlich kein professioneller Roboterarm, der wirklich Gewicht tragen können soll. Um das ganze preiswert zu halten wurden auch recht einfache Servos eingesetzt. Hierdurch hat der Lastarm manchmal Schwierigkeiten sich aus einer völlig gestreckten, liegenden Position wieder aufzurichten. Ein derartige Position ist zwar für den Betrieb des Lastarms nicht sinnvoll, und hierfür ist auch eine Ansteuerung mit einem Signal außerhalb der vorgesehen Grenzen von 1-2ms nötig, aber ich wollte dennoch einen stärkeren Servo für den ersten Arm einsetzen um diese Probleme zu umgehen und eventuell auch etwas Vorteile in der Positioniergenauigkeit erhalten.
Hierzu habe ich einfach bei gestrecktem Lastarm den untersten Servo des Arms abgesteckt und damit kraftlos gemacht (abgesehen von der Reibung...). Danach habe ich den Arm einfach auf eine kleine Digitalwaage aufgelegt und gewogen. Um damit auf das Moment zu kommen muss man noch den Abstand vom Drehgelenk, bis zu dem Punkt an dem man das Gewicht misst bestimmen. In meinem Fall bin ich hier auf ca. 25Ncm gekommen.
Die original verwendeten Servos (einfache ModelCraft Servos, Typ RS2) haben laut Datenblatt 32Ncm (an 4.8Volt), was eigentlich ausreichend ist. Da dies jedoch "Katalogwerte" sind und auch noch ein nicht zu unterschätzendes Maß an Reibung durch das Verkanten des Antriebs hinzukommt, ist das ganze dann doch grenzwertig.
Als Ersatztyp habe ich mir dann einen digitalen Servo (ebenfalls von ModelCraft) ausgesucht, welcher 64Ncm bei 4.8Volt liefern soll. Da die unterste Stufe, die den gesamten Arm dreht, auch etwas mit der Reibung des Systems zu kämpfen hat, habe ich gleich zwei neue Servos bestellt.
Mein Aufbau des Lastarms ist aktuell etwas komplexer als normal... Ich habe die vier RS-2 Servos jeweils geöffnet und die Sensorleitung vom Positions-Poti an die ADC-Eingänge der Platine geführt. Hierdurch ist es mir möglich die Position des Arms zu bestimmen BEVOR ich die Servos ansteuere. Über die ADC-Werte der jeweiligen Servo berechne ich Ansteuerwerte, welche die aktuelle Position (relativ gut) abbilden und steuere die Servos damit an. Hierdurch kann ich verhindern das der Arm beim Einschalten (oder Reset) wild durch die Gegend fährt.
Für den Umbau musste ich dann die beiden untersten Servos mechanisch abbauen und die 4 Leitung ablöten. Da ich den Kabelbaum des Arms auch recht aufwändig verlegt habe, habe ich das ganze "in sito" gelötet, d.h. alles so wie es aufgebaut war. (Gar nicht so einfach wenn man weitsichtig ist...)
Danach musste dann erst die Grundplatte etwas angepasst werden, da die neuen Servos etwas breiter und länger sind als die originalen. Nach der Mechanik ging es dann auch hier wieder an der verlöten der drei normalen Anschlüße und der zusätzlichen Leitung für den Poti-Abgriff.
Da die Servohörner nicht kompatibel waren, obwohl es ja beides ModelCraft Servos sind, musste ich auch die Servohörner an der Bodenplatte und am Arm austauschen.
Nachdem nun alle mechanischen und elektrischen Umbauten vollzogen waren habe ich den Arm dann wieder in Betrieb genommen.
Der erste Eindruck war wirklich überwältigend! Die neuen Servos hatten RICHTIG Kraft. Während man die originalen Servos immer etwas hin- und herdrehen kann bis man eine Gegenkraft spürt, lassen sich die digitalen Servos eigentlich gar nicht verdrehen, die stehen einfach bombenfest. Ich hatte eher Angst da was abzubrechen als das die sich bewegen würden.
Der zweite Eindruch war dann aber schon etwas ernüchternder. Der Verstellbereich der neuen Servos ist deutlich geringer als bei den alten Servos. Während die alten Servos (mit Ansteuersignalen <1ms bzw. >2ms) ca. 180° Bewegungsspielraum bieten, sind die neuen Servos auf geschätzte 130-140° beschränkt. Außerdem erzeugen die Servos doch relativ laute Geräusche wenn sie versuchen Ihre Position zu halten.
Das völlige Aus war dann aber das recht heftige Regelverhalten der Servos. Während analoge Servos normalerweise den Motor mit der Wiederholfrequenz des Signals (also mit 20ms = 50Hz) ansteuern, findet dies bei digitlen Servos mit bis zu 400Hz statt. Daher ist die Positionsgenauigkeit bei Kraftbeaufschlagung normalerweise deutlich besser.
Bei dem Lastarm führt diese "steifere" Positionsregelung jedoch dazu, daß der Arm in eine Resonanz geraten kann und sich das dann recht kräftig aufschwingt. Um das zu vermeiden müsste man das Regelverhalten des Servos ändern, was aber nicht so einfach ist. Auf Dauer würde dies den Arm und die Servos schädigen und Positionierung des Arms wäre mit so einer Schwingung überhaupt nicht möglich.
Nach diesen schlechten Erfahrungen mit den Servos habe ich mich dann nach nur ca. 5 Minuten Testphase entschlossen, wieder auf die alten Servos zurückrüsten. Was natürlich den gleichen Aufwand noch einmal bedeutete...
Der Arm ist aktuell jetzt (erst einmal) wieder "original" aufgebaut. Ob ich mir nach den schlechten Erfahrungen mit dem Umbau noch einmal die Mühe mache das verbessern zu wollen lasse ich momentan noch mal offen, die Chancen dafür stehen jedoch nicht besonders gut.
Aus dem ganzen lässt sich jedoch ableiten, das es gar nicht so einfach ist, eine Armkonstruktion mit Servos zu realisieren. Das der RoCa2011-Lastarm mit den eingesetzten Servos nicht diese (ausgeprägte) Schwingneigung hat, ist eigentlich nur Zufall. Sobald es Spiel im Antrieb gibt, und wie bei dem Arm mehrere Servos hintereinander liegen, ist es eigentlich immer Möglich das es durch eine Anregung zu einem Aufschaukeln der Positionsregelung kommen kann.
Verhindern oder zumindest Begrenzen kann man dies nur, indem man auf die Positionsregelung der Servos Einfluß nehmen kann, so wie das z.B. bei dem Projekt "Open Servo" der Fall ist. Allerdings bedeutet dies dann auch gleich einen nicht unerheblichen Mehraufwand und deutlich höhere Kosten, da für jeden Servo eine eigene Mikrocontrollerplatine verwendet wird.
Wer also in einem bestehenden System Servos austauschen möchte sollte sich das ganze unter diesen Gesichtspunkten gut überlegen und sich bewußt werden das es auch mal nicht so einfach mit einem Austausch getan ist.