Quadruped Projekt - Stromversorgung und Hebegewicht Servo Sg90

[cybeaer]

Moin Moin,

jetzt muss ich mich doch mal an den deutsch sprachigen Teil des Forums wenden da ich befürchte das im Englischen meine Probleme nicht ganz verstanden werden

Ich hab mir einen Quadruped gebaut mit 4 Beinen a 3 Servos (sg90).

Die Verkabelung sitzt soweit nur hab ich jetzt noch 2 Probleme...

Problem eins ist, das die Servos mit 1,4Kg/cm angegeben sind. Pro Bein ist jeweils ein Servo für die Horizontale Bewegung und 2 fuer die Vertikale. Die 2 Beinglieder sind jeweils ca 7cm lang. Das ganze wiegt mit batterien jetzt ca 450g und die Servos scheinen das nicht zu packen... Mathe ist jetzt bei mir schon ne weile her und ich wuesste auch grad nicht wie ich berechnen kann was die Servos heben könnten theoretisch.. Kann mir da jemand mit ner Formel oder nem Link aushelfen?

Problem zwei ist, das die Servos meine AA Batterien leersaugen.. im leerlauf haben die servos was um 20mA unter volllast aber bis zu 1000mA. Ich hab jetzt 4 AA Batterien (6V) durch ein LM2596 DC-DC auf 4,8V (was die Servos brauchen) gedrosselt. Die Batterien liefern max 2200mA. Allein beim Aufstehen werden aber schon 4 Servos unter Vollast angesprochen (4A) und der Gait Gang den ich geplant habe setzt minimum 6 Servos (5-6A) pro bewegung vorraus.
Jetzt wollte ich evtl auf 18650 Akkus wechseln, jedoch bin ich da auf Neuland.. Ich weiss leider nicht ob meine Verkabelung für so hohe Ampere zahlen geeignet ist und wie ich ueberhaupt 18650 Akkus nutze...
Meine Verkabelung ist diese:

Kann mir dazu jemand sagen wie ich solche Akkus verwende? Was ich alles brauche, worauf ich achten muss? Und kann mir jemand ein Modell empfehlen das entsprechende Schutzschaltungen (over-,discharge-,shortcutprotection) hat?
Im Internet hab ich da keine Schluessige Anleitung bzw empfehlungen gefunden, und ich moechte ungern die bisherige Arbeit durch einen Fehler meinerseits in Rauch aufgeben lassen...
Im zweifels Falle lasse ich mich auch gerne auf LiPo's ein, jedoch gilt hier das selbe.. noch nie mit gearbeitet und keine Ahnung auf was ich achten muss und was ich alles fuer brauche...

[sschultewolter]

Deine 4 Batterien in Reihe werden vermutlich bei deinem Strombedarf in die Knie gehen. Kannst du die Spannung vor und nach dem StepDown Wandler messen?

Sinnvoller wäre eine Reihenschaltung von mindestens 2 18650 ohne Protection Circuit Board. Ggf noch eine Feinsicherung vorsehen (~ 4A). Die Tiefentladeschaltung kannst du ggf. auch selber aufbauen in dem du die Spannung des Lipos und einem Spannungsteiler überwachst.

[Doc_Arduino]

Hallo,

wegen der Servohebekraft.
Die Angabe 1,4kg/cm sagt aus, dass das Servo 1,4kg auf einer Armlänge von 1cm haben kann.
Verlängerst du den Servoarm auf 2cm, kannste am Ende nur die halbe Last, 700g heben.
Wenn ein Arm 7cm lang ist, kann das Servo am Ende des Arms nur noch 200g heben (1400g / 7).
Allerdings hast du mehrere Servo gleichzeitig im Betrieb, die Last verteilt sich. Laut meiner Überlegung können 4 Servos außen zugleich mit 7cm Armlänge ein Gewicht in der Mitte von 800g (200x4) heben.
Wäre meine nicht wissenschaftliche Überlegung.

[DrDiettrich]

Das "Hebegewicht" läßt sich berechnen aus dem Drehmoment (1,4kg/cm) und der Länge des Hebels, die bei 7cm pro Glied und 2 Gliedern bis zu 14cm (gestreckt) werden kann. Dann kann der Servo 1,4/14=0,1kg=100g heben. Im günstigsten Fall, bei etwa rechtwinkliger Abknickung zwischen den Gliedern wären es 200g. Das benötigte Drehmoment für die Servos der Hüftgelenke kannst Du berechnen aus Gewicht*Hebellänge, bei 1kg wären das dann mindestens 7kg/cm. Da vermutlich stets mindestens 3 Beine am Boden sind, darf das Vehikel etwa dreimal so viel wiegen, wie die von der Gravitation am meisten belasteten Servos (Hüfte) schaffen. Danke @@Doc_Arduino für diesen Hinweis

Mit einem Trick kann man die benötigte Leistung reduzieren, wenn man Federn einbaut, die der Gravitation entgegenwirken, d.h. das Vehikel fast von selbst stehen lassen. Dann muß der Servo nur noch die Kraft aufbringen, damit das Ding tatsächlich steht, bzw. beim Abheben eines Beins die Federkraft aufheben.

[cybeaer]

@sschultewolter: Bei neuen Batterien 6.3V Eingang 4.84V Ausgang. Nach einem "aufsteh versuch" Eingang 4.2V und Ausgang 3.5V
Was mir auch aufgefallen ist, sobald die Servos dann nur noch "zucken" flackert auch das Status Licht des Wandlers...

Darf man fragen warum ohne Protection Circuit? Hatte gehofft ich könne bei den Feuer/Explosions sensitiven Teilen auf vorgefertigtes zurueck greifen, da noch etwas die Erfahrung fehlt

Kann ich fuer die 2 18650 nicht auch 2x TP4056 bzw 03962A verwenden? Oder kann ich mit einem Beide anschliessen fuer Ausgang und Ladevorgang? Ich versteh leider (noch) rel. wenig von Spannungsteilern und Co. Bin noch nicht so lange bei dem Thema

Bin da noch ein wenig ängstlich das ich unser Wohnzimmer in Brand stecke weil ich was falsch verkabelt hab bei den Akkus :o

Brauch ich wenn ich 2 Akkus nehme dann 2200mA oder höhere? Wie gesagt bei dem Gait Gang koennten 6A zusammenkommen...

@Doc_Arduino, @DrDiettrich also sollte er die 450g heben können (gesamtlänge 13,2cm). Habe die Batterie für den Arduino entnommen ~50g und mit frischen batterien schafft er es immer noch nicht aufzustehen mit allen 4 Beinen wobei die endglieder angewinkelt bleiben.. Vieleicht faellt aber auch die Spannung zu schnell.
Wie muss ich eigtl das Gewicht der Beine und das Eigengewicht der Servos einrechnen? 1 zu 1? Der Mittelteil alleine wiegt naemlich knapp 350g mit Batterien, und die Beine mit Servos jeweils ~25g

@DrDiettrich Der Tipp mit den Federn is super, da muss ich mir mal gedanken machen wie ich da welche anbringen kann

[DrDiettrich]

Mit den Akkus ist es ähnlich wie mit dem Drehmoment, man sollte wissen was die Werte bedeuten. Bei Akkus und Batterien wird erst einmal die Kapazität (mAh) angegeben, d.h. ein Akku mit 2200mAh kann (theoretisch) 1 Stunde lang 2200mA liefern. Ob er das tatsächlich schafft, hängt vom Nennstrom ab, der oft nicht angegeben wird. Wird dieser Nennstrom überschritten, dann bricht die Spannung gleich zusammen, und der Akku ist schneller leer als gedacht. Früher konnte man als Faustformel annehmen, daß der Nennstrom 1/10 der Kapazität entspricht, was die heutigen Akkus aushalten, ist mir nicht geläufig.

Wenn Deine Akkuspannung beim Aufstehen so stark einbricht, ist ihr Nennstrom viel zu niedrig, um Dein Vehikel zu betreiben. Die Ausgangsspannung sollte nicht unter 4,5V absacken, sonst dürften die Servos nicht mehr funktionieren.

[cybeaer]

ist das dann dieses "C" was manchmal angegeben wird?

Er zieht die vollen 4,8V und knappe 4A beim "aufstehen", das duerfte dann auch erklaeren warum die normalen AA gleich leer sind...

Welche Akkus nehm ich dann am besten wenn da bis zu 6-7A gebraucht werden? n halbes stuendchen sollt schon drin sein

Habt ihr da ne empfehlung fuer ein Modell bzw nen Verkäufer in Deutschland?

Ich kann ja erstmal erfahrungen mit den Akkus in kleineren Komponenten/Projekten sammeln, das wenn was hochgeht, die kosten nicht so hoch sind

[Doc_Arduino]

Hallo,

eigentlich brauchste ne kleine Autobatterie. Mindestens ordentliche Akkupacks aus dem Modellbaubereich. Das bringt jedoch wieder Gewicht mit sich. Ein Teufelskreis.

@ Dr. : Danke für die Berücksichtigung der doppelten Armlänge

wegen C (korrigiert mich wenn ich Mist erzähle)

C ist ein Faktor und gibt die maximal zulässige Dauerstromentnahme bezogen auf die Kapazität an.
Wenn C meinetwegen 3 ist und der Akku hat 3000mAh, dann kannste max 9000mA ziehen bis er leer ist. Was theoretisch in 20 min der Fall sein dürfte. Geladen wird allgemein üblich mit max. 1/10 C.

[Rabenauge]

Das geht schon-wenn man LiPo's benutzt...
Das Problem bei solchen Crawlern ist immer das Gewicht.
Daher gibts nur zwei Möglichkeiten: Stromversorgung extern mit Kabel (wenig elegant) oder eben den Akku mit der höchstmöglichen Energiedichte pro Gewicht-da geht eigentlich kein Weg an LiPo' s vorbei.

Die gibts längst auch so richtig hochstromfähig (weit über 40C, da kann ein 100mAh-Akku schon 4A liefern), allerdings ist es nie ne gute Idee, an die Grenzen zu gehen.
Ich würd hier eventuell nen 1000mAh mit 7.4V nehmen, der wiegt nicht viel (sicher weniger als diese AA-Dinger) und läuft bei 4A immer noch 15 Minuten- da die im normalen Betrieb eher nicht dauernd gebraucht werden, dann entsprechend länger.
Der stemmt die 4A dann auch spielend.

Haken: man braucht ein LiPo-fähiges Ladegerät.

Problem bei Quads (Hexas usw. auch) ist, dass sich die Beinlängen ADDIEREN.
Man muss also vom Drehpunkt des Hüftservos bis zur Fusspitze den Weg messen!
Wenn man das tut, kommt man ziemlich schnell drauf, dass da mit normalen Servos einfach nichts zu machen ist.
Die stemmen das nich annähernd....
Bisschen was geht da mittels Programmierung (Beine anwinkeln zum aufstehen usw.) aber mit normalen Servos läuft sowas nie anständig. Und Servos, die mit solchen Kräften klar kommen, fangen bei etwa 80€ an.
Die brauchen allerdings auch noch andere Ströme-das wird bei den Hexa-Bauern immer die zweite Baustelle: die Stromversorgung, da die meisten Servos nicht direkt aus dem Akku versorgt werden können (viele vertragen bis zu 8.4 v nicht ).

[cybeaer]

@Rabenauge: Mit LiPo's meinst du die dinger in den silbernen "kissen"?
In manchen Foren bezeichnen die die 18650 auch als LiPo's...

Und was wiegt so ein Zwei Zellen LiPo eigtl?

haben die nicht auch die gleiche Ladelogik wie die 18650? Muesste also auch mit nem TP4056 zu laden und entladen zu sein oder? (2,5V abschaltspannung, 4,2V lade und endspannung)

Ich hab mir da naemlich schon ein paar 18650er mit 2000-3000mAh angesehen die angeblich ne max Ausgangsleistung von 10-20A haben... das sollt doch reichen oder? Ich weiß nur nicht ob ich mir den Lm2596 damit grille wenn ich da 7,4V mit 6A durchjage und auf 4,8V drossel... Oder den Schalter der vor dem Step Down sitzt da muss ich doch nochmal die Ampere angaben kontrollieren...

ich dacht mir ich koennte da zwei akkus (oder wenn moeglich lipo's) an zwei TP4056 und deren ausgänge in reihe an den Lm2596 schalten, dann muesste ja wenn bei einem die abschaltspannung oder ein kurzer entsteht der ganze Stromkreis weg sein. Ich muss die Akkus dann zwar separat laden aber damit koennt ich leben, falls ich keinen breakout finde der zwei akkus laden kann. Dann ließe sich der Quad auch via Powerbank USB Verbindung laden xD (max 1A und 5V)

Wegen dem Gewicht sollte doch der trick von DrDiettrich mit den federn klappen oder?
Bin mit dem Gesamt gewicht auch nur knappe 100g bis evtl 150g drüber was laut rechnung möglich sein sollte.
4xAAA + Halterung / 4x~24g + 15g = ~ 111g
vs
2x18650 + halterung + chip / 2x~48g + 8g + ~2g = ~106g?

Die Beine haben von Schulterdrehpunkt bis Fussspitze aufgerundet 14cm, die Servos haben 1,5-2kg/cm (keiner ist sich da einig drueber...)
waeren also (niedrigster Wert genommen) ca 400g beim Aufstehen wenn alle 4 Beine beteiligt sind oder 300g bei der Bewegung die er stemmen muss. Wenn ich die Aussenglieder angewinkelt lasse sogar mehr, also sollte er das doch rein rechnerisch schaffen wenn ich die Erdanziehung mittels federn um 150-200g verringern kann oder?

[cybeaer]

So rein theoretisch... Wie sieht das eigtl aus wenn ich zwei servos nebeneinander schalte die das gleiche bein in die gleiche richtung heben? verdoppelt sich die Kraft?

Klar es wuerd den Stromverbrauch in die Höhe treiben, aber bei doppeltem Hebegewicht haett ich ja dann noch was frei für weitere Akkus

[Rabenauge]

Das mit den parallel geschalteten Servos könnte funktionieren.
Mit genug Glück sogar besser (weil der Wirkungsgrad besser sein könnte).
Vermutlich aber wirst du nicht ganz die doppelte Kraft erreichen.

Das mit den Federn-durchdenk das noch mal ganz genau. Energie bekommt man nirgends geschenkt und die Schwerkraft teilweise aufheben kann man auch nicht.
Hat Vor- aber auch Nachteile!

Am besten wäre es ja, du würdest einfach glauben, dass so eine Geschichte mit Billigservos nicht gescheit funktionieren wird (dauerlastfest sind sie sowieso nicht, und je billiger desto Verschleiss).
Der Grund, warum nur wenige solche Crawler bauen, sind die Kosten. Es geht einfach nicht vernünftig mit günstigen Servos.

Was die Akkus angeht: was in deinen da drin ist, weiss der Hersteller- es ist möglich dass innendrin LiPo-Zellen verbaut sind.
Hab ich durchaus schon gesehen-dann aber ist da wohl noch ein Gehäuse drum->unnötiges Gewicht.

Was LiPo's wiegen, kannst du bei den einschlägigen Händlern rausfinden (logischerweise unterschiedlich, je nach Grösse), ich werf einfach mal stefansliposhop.de als Beispiel in den Raum (die Dinger halten übrigens auch das, was sie versprechen).
Guck einfach nach, welche du brauchst, und kalkulier bei der Stromaufnahme das Doppelte, dann schonst du die Akkus.
Abmessungen, Gewicht, steht alles bei.

Grundsätzlich solte es möglich sein, auch 2s-LiPo's mit den kleinen Ladeplatinen zu laden, wenn man halt eine für jede Zelle nimmt. Dazu haben LiPo's ja den Balancer-Stecker. an dem kann man nämlich jede Zelle einzeln abgreifen.
Allerdings würde ich den Akku dann unbedingt vom Walker trennen- sicherheitshalber!
Besser ist natürlich ein vernünftiges Ladegerät, wo man auch den Ladestrom usw. einstellen kann. Die Dinger merken auch, wenn der Akku ne Macke weg hat, und schlagen dann rechtzeitig Alarm.
Ich hab es zwar noch nie geschafft, so einen Akku in Flammen aufgehn zu lassen, aber ich hab da auch nicht wirklich Lust drauf.
Dagegen waren die guten, alten NC-Zellen Waisenknaben.

[cybeaer]

Ne dann spar ich mir lieber die zweite reihe Servos... am ende hab ich das gleiche problem wieder...
was mich nur wundert ist das es bei anderen Projekten mit genau diesen Servos zu funktionieren scheint...
Bsp: http://www.instructables.com/id/DIY-Spider-RobotQuad-robot-Quadruped/?ALLSTEPS
Da is sogar ein Video dabei wo er laeuft... Was mich nur irritiert ist das die meisten von 4A reden, wenn die Servos bis zu 1A unter vollast fressen muesste doch mehr entstehen oder?

Bin naemlich auch gerade am durchsehen was ich alles wegen der Ampere tauschen muss..
(Kabel, schalter, Step-Down Regler...) und die 4A Komponenten sind viel guenstiger als 10A Komponenten...

Beim Gewicht geben sich ja 18650 und Lipo's nichts... Für die 18650 haett ich mir auch schon einen entsprechenden Schaltkreis zusammengekritzelt, wo man zwar die Akkus getrennt laed aber beide dafuer ne sicherung haben... wenn ich dran denke werd ich heut abend mal n foto von hochladen..

[Rabenauge]

Du kannst auch zwei Stromschienen legen, also 2x4A, das geht.
Du musst nur die Masse aller Geräe verbinden, dann kannst du eine Hälfte der Servos aus der einen, die andere Hälfte aus der anderen versorgen.

Was den Stromverbrauch angeht: bei diesen Billigservos und 12 Stück halte ich 4A für relativ weit untertrieben.
Pro Servo sollte man mindestens 0.5A einplanen- und in Spitzen das Doppelte!
Ich hab allerdings auch Servos, die mal eben 2A brauchen-allerdings haben die auch ne ganz andere Leistung.
Heisst aber nicht, dass die dauerhaf solche Leisung brauchen. Trotzdem: die Spitzen müssen auch versorg werden, und lieber leg ich die Versorgungsschiene etwas stärker aus als dass mit was weg brennt.

Sicher kann das Ganze "unter Laborbedingungen" (aufm glatten Untergrund, die IK so ausgelegt, dass nie zu ungünstige Hebelverhältnisse entstehen usw.) auch mit weniger Strom funktionieren- muss es aber nicht!
Sowas versagt dann schon mal jämmerlich, wenn das Vehikel auch nur auf Teppich laufen soll.
Und dann: absoluter Leichtbau! Bei solchen Walkern unheimlich wichtig. Hier kann man z.B. nen kleineren Akku nehmen, dann sinkt der Stromverbrauch natürlich (weil der Akku leichter ist)-aber man hat Betriebszeiten, die nich der Rede wert sind.

[DrDiettrich]

Zum Ausprobieren kann man ja eine Versorgung über Kabel vorsehen, und Gewichte statt der Batterien auflegen. So kann man auch feststellen, wieviel zusätzliches Gewicht die Servos überhaupt verkraften.

Der maximale Strom wird beim Aufstehen verbraucht. Schaut man sich große Tiere (Pferde...) an, dann kommen die erst vorne oder hinten hoch, dann folgt das andere Ende. Beim Laufen sollte das Vehikel nicht kippen, da sollte eigentlich kein großer Stromverbrauch beim Absetzen eines Beins auftreten. Die Vorwärtsbewegung sollte dann so optimiert werden, daß der Schwerpunkt während der Bewegung etwa auf gleicher Höhe bleibt.

[cybeaer]

@Rabenauge: zwei Stromleitungen bringt bei mir nicht viel, da ich dann zwei 5A Wandler besorgen muesste was im Endeffekt teurer ist als ein 10A Wandler... Da Muss ich leider auch so oder so die Schalter und die Leitungen von und zum Wandler mit was anderem als den Kupferlitzen gestalten Ich bin mir nur noch nicht sicher was mit den selbst gelöteten leiterbahnen ist... Sind ja in reihe, ob mir da nicht der Lötzinn flöten geht oder die Brücke bzw die litze die vom Pin zum verteiler geht wegschmort...

Ich hatte ja auch so mit 8-10A gerechnet als Spitze, denn ich denk die horizontalen gelenke werden ja nicht auf spitze laufen, also sinds 8 Servos die auf spitze gehen könnten..

Leichtbau das heisst ja wohl oder ueber das ich wirklich das gesamte chasis neu gestalten muss... momentan ist alles noch 3mm dick, muss ich wohl doch auf 2 bis 1,5mm gehen und ein paar "stuetzelemente" neu ueberdenken... und ob ich nicht die akkus fuer die Servos 10A mit 4,8V und gleichzeitig 5V mit 500mA fuer den Arduino liefern lassen kann... Langsam aber sicher haette sich doch ein eigener 3D Drucker gelohnt so oft wie ich teile neu drucken lassen muss xD

@DrDiettrich: das waere eine gute idee wenn ich ein geeignetes netzteil dafuer haette, kannst du da ein guenstiges empfehlen was man gut einstellen kann? Da könnte ich ja dann auch mal die Ampere spitzen messen

Ich hab im Englischen forum jetzt auch den Tipp bekommen ich muesse den GND der Akkus/Servos mit dem GND des Arduinos verbinden obwohl die zwei getrennte Stromverbindungen haben... Grill ich mir da nicht den Arduino mit den 10A...

[DrDiettrich]

Gute Labornetzteile (einstellbar) sind nicht billig. Aktuelle Empfehlungen habe ich keine. Ich würde einfach ein Steckernetzteil mit ca. 6V und ausreichend Ampere nehmen, oder mehrere kleinere. Bei der aktuellen Qualität muß man mit Ausfällen rechnen, da ist man mit mehreren kleinen Netzteilen besser dran als mit einem einzigen großen.

Alle elektrischen Komponenten brauchen ein gemeinsames Bezugspotential, und das wird üblicherweise Masse oder Gnd genannt. Es ist ein typischer Anfängerfehler, zu glauben, daß Strom schon über eine einzige Leitung fließen kann, und den Rückweg über die Gnd-Leitung zu vergessen.

[cybeaer]

Muss ich aber sonst auf nichts achten oder? Wegen den 10A mein ich

[cybeaer]

Ach und anbei die Schaltung für die Akkus. Kommt nur noch n Schalter zwischen die Verbindung der Batterien

[DrDiettrich]

Jeder Verbraucher zieht so viel Strom, wie er braucht. Ein Arduino zieht ein paar mA, ein Motor mehr.