Stromversorgung Arduino - Für Roboter ( Hexapod )

[bluebook]

Hallo,
ich möchte mir einen Roboter bauen, bin jedoch noch blutiger Anfänger und versuche mich so langsam rein zu finden.
Ich habe mich schon durch diverse Foren gelesen, jedoch nicht die Antworten bekommen die ich suche, deswegen frage ich jetzt einfach mal selbst.

Vorgestellt habe ich mir einen Roboter zu bauen mit 6 oder 8 Beinen, welche jeweils mit 3-4 Servomotoren bestückt sind. Also ( 18-32 ) Servomotoren.
Ich möchte keine spezifischen Angaben zu irgendwelchen Servos etc. machen, weil es mir mehr ums Prinzip geht und ich mich nicht auf irgendwelche Werte festfahren will.

Scheinbar ist es nicht möglich alle Servos direkt am Arduino zu verbinden und immer wieder war die rede von einem externen Netzteil.

Nun meine Fragen:

• Was muss ich unter so einem Netzteil verstehen und wie verbinde ich es mit dem Arduino ?
  bzw. worauf muss ich beim Erstellen des Netzteiles achten ?

• Wie berechne ich den Stromverbrauch der Servos und den dafür entsprechenden Akku?
  (meinetwegen hat jeder Servo 10V verbrauch damit es leichter zu rechnen ist...)

Es kreisen viele Fragezeichen über meinem Kopf.

Ich wäre euch echt dankbar wenn ihr mir dazu was sagen könntet da ich mich mit Elektronik noch kaum auskenne, möchte mir morgen allerdings ein Arduino Kit holen, vllt. bekomme ich im Lerntoturial ja auch noch die ein oder andere Antwort auf meine Fragen.

Ich möchte den Roboter komplett selbst herstellen und bevor ich mich ans CAD setzen kann um ihn zu planen brauche ich die Masse der Servos, welche ich wiederum nicht bestimmen kann weil ich mich mit der Elektrik nicht auskenne ^^

LG Bluebook

[UKHeliBob]

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mfg ein Moderator.

[Franz54]

Ich schätze mal, ein Netzteil wirs du nicht brauchen können, bei einem Roboter, der sich frei bewegt. Höchtens ein Ladegerät.

Zu den Servos kann man schlecht was sagen, solange man nicht weiß was für eine Masse die bewegen sollen. Normale Servos die etwas mehr Kraft brauchen haben gern mal 6 Volt, oder können mit 5-6 Volt betrieben werden. Also eher ein Akku mit 6 Volt. Der AH Wert dieser Batterie hängt wieder von den Servos ab.

[bluebook]

Kenne Netzteile üblicherweise auch nur von feststehenden Geräten, also ich dachte daran einen starken Akku einzubauen, jedoch muss ich die Servomotoren dann irgendwie mit dem Akku verbinden oder ?

Was das Gewicht angeht schätze ich max. 2-3Kg (tendenziell eher 1-2Kg) da der Akku vermutlich zu den schwersten Komponenten gehört. Konkret habe ich auch an Servos gedacht zwischen 4.8-7.2V

Wenn ich zehn Servos mit je 6 Volt nutze brauche ich dann einen Akku mit 60Volt?

[Franz54]

@bluebook

brauche ich dann einen Akku mit 60Volt

Nein, das bleibt dann bei 6 Volt.
Oder man geht beim Akku auf 12 Volt und dann mit DC/DC Spannungsumsetzern auf die genaue gewünschte Spannung. Für Servos bis 7,2 Volt z.B.

[bluebook]

Super, das ist schonmal sehr viel Wert, ich danke dir
Dann schätze ich mal, dass ich einfach den Wert der Servos nicht unterschreiten darf ?
Darf ich ihn den überschreiten ?...
Also bei bsw. 6 Volt Servos mit 10 Volt versorgen ?

[Franz54]

@bluebook

Also bei bsw. 6 Volt Servos mit 10 Volt versorgen ?

Wenn du sie killen willst, ja. Aber nur einmal Deshalb die DC/DC Regler, mit denen du die genaue Spannung einstellen kannst.

[agmue]

Die Servos haben ein Datenblatt, da steht beispielsweise drin "5 bis 6 V", dann muß die Versorgungsspannung 5 bis 6 V sein. Bei 6 V hast Du mehr Drehmoment, aber auch mehr Abwärme. Diese Werte sind nicht verhandelbar, mehr Spannung macht die Servos kaputt, weniger läßt das Drehmoment dramatisch sinken.

Bei Anbietern fehlen häufig Angaben zum Strom, den mußt Du eventuell messen. Dann braucht es noch eine Abschätzung, wie viele Servos gleichzeitig aktiv sein sollen. Multiplizierst Du diese mit dem Strom, kannst Du Deine Energiequelle abschätzen.

[bluebook]

Ich hoffe in meinem Arduino-Kit welches ich mir morgen hole wird dieser DC/DC Regler erläutert. Auch wenn ich immernoch nix verstehe, fühle ich mich schon etwas sicherer auch im Bezug auf was ich mir beschaffen muss

Also zu hohe Versorgung gilt es also unbedingt zu vermeiden? Gibt es da Spielraum oder sind 0.1 Volt zu viel auch schon fatal ?

[bluebook]

Aha... Ok also wenn wir mal von 8 Beinen a 3 Servos ausgehen. Von 8 Beinen sind jeweils 4 in Bewegung (Milchmädchenrechnung xD) dann habe ich also 4 x 3 Servos aktiv?

Hier mal ein paar Beispielservos, wobei ich vermute, dass die Müll sind und schnell den Geist aufgeben.
MG996R
Specifications :

• Weight: 55 g
• Dimension: 40.7 x 19.7 x 42.9 mm approx.
• Stall torque: 9.4 kgf·cm (4.8 V ), 11 kgf·cm (6 V)
• Operating speed: 0.17 s/60º (4.8 V), 0.14 s/60º (6 V)
• Operating voltage: 4.8 V a 7.2 V
• Running Current 500 mA –
• Stall Current 2.5 A (6V)
• Dead band width: 5 µs
• Stable and shock proof double ball bearing design
• Temperature range: 0 ºC –4.8 V a 7.2 V– 900 mA (6V) double ball bearing design 55 ºC

Sehe ich das richtig ? In dem Fall verbrauchen die Servos 0.5A was bei 4 x 3 Servos, 6A bedeuten würde ?

[Franz54]

@bluebook

Gibt es da Spielraum oder sind 0.1 Volt zu viel auch schon fatal ?

Nein 0,1 Volt ist kein Thema. Aber wenn du die DC/DC Regler hast kannst du ja die Spannung auch so anpassen dass du etwas unter max. bleibts. UNd diese Dinger regeln deine Spannung so, dass es nicht mehr wichtig ist was am Akku rauskommt. Er muss nur mehr Spannung haben, als die benötigte.
In so einem Arduino KIt wirst du keinen DC(DC Wandler haben, der den Strom herbringt, den du brauchst, aber wenn überhaupt einer dabei ist, dann kannst du jedenfalls damit mal testen, wie diese Dinger funktionieren.

[Franz54]

@bluebook

DC/DC Regler auf jeden Fall mal aufschreiben

Ja, und auf den Strom achten, den sie können. Aber nicht an die obergrenze gehen. Wenn es heißt der kann 10 Ampere, dann wird der dabei extrem heiß. Wenn ich 10 Ampere brauche, würde ich einen nehmen der 15-20 Ampere kann. Oder du hast vielleicht sogar Servogruppen. Die einen sind nicht so Leistungsintersiv und braucht nur 5 Volt, dann kann man die auch auf einen extra DC/DC Regler nehmen, der aus den 12 Volt nur 5 Volt macht.

[bluebook]

Alles klar vielen Dank Franz, ich werde mir den DC/DC Regler auf jeden Fall mal aufschreiben...Da habe ich mir ja wieder was vorgenommen xD Aber so lerne ich immernoch am effektivsten!

Habe es gerade gesehen, also wenn die servo aktiv ist verbraucht sie 2.5A oder ? Kann ich nicht auf Nummer sicher gehen und einfach davon ausgehen dass alle servos aktiv sind ? Geht es bei der Berechnung darum, nicht zu teuer zu investieren oder darum die Bauteile zu schützen ? Optimieren kann ich ja noch immer, so is ja nich...

[uwefed]

@bluebook

Aha... Ok also wenn wir mal von 8 Beinen a 3 Servos ausgehen. Von 8 Beinen sind jeweils 4 in Bewegung (Milchmädchenrechnung xD) dann habe ich also 4 x 3 Servos aktiv?

Würde ich nicht so sagen.
Servomotore die gegen ein externes Drehmoment die Position halten müssen (sich also gar nicht bewegen) können auch einen ziemlich großen Strom ziehen um das Gegendrehmoment zu erzeugen. Das Drehmoment entsteht weil am Servo etwas angeschraubt ist das als Hebel fungiert und durch das Eigengewicht des Roboters.

@bluebook

Running Current 500 mA –
• Stall Current 2.5 A (6V)

8x3 sind 24 Servos. Da würde ich schon Ströme zwischen 10 und 20A annehmen. Bevor Du jetzt große Akkus kaufst kannst Du die Teile mit einem Netzteil ausprobieren. Die Masse des Netzteil muß mit der Masse des Arduino zusammengeschlossen sein.

Grüße Uwe

Grüße Uwe

[agmue]

@bluebook

Kann ich nicht auf Nummer sicher gehen und einfach davon ausgehen dass alle servos aktiv sind ?

Das wäre am besten, keine Frage.

Du hast ein Gerüst, das die Servos trägt, die Energie benötigen, die schwer ist. Daher benötigst Du ein stärkeres und schwereres Gerüst, das von Servos bewegt wird, die mehr Energie benötigen, die schwerer ist. Und so weiter.

Irgendwann baust Du dann eine Saturn V Rakete, um zwei Leute auf dem Mond spazieren zu lassen.

20 A ist eine halbe Starterbatterie vom Auto, wobei ich noch nicht gelesen habe, wie lange der Roboter sich ohne Nachladen bewegen soll!

@bluebook

Optimieren kann ich ja noch immer, so is ja nich...

Wenn Du nicht etwas Funktionierendes nachbaust, ist das Optimieren die Hauptaufgabe. Irgendwann hast Du dann Material für fünf Roboter, wobei hoffentlich einer nach Deinen Vorstellungen funktioniert.

---

Die über die IDE zu installierenden MobaTools können 16 Servos gleichzeitig, ist meine Empfehlung.

Ansonsten gilt, klein anfangen mit einem Arm - lernen - größer werden - lernen - und so weiter. Letztlich benötigst Du vermutlich mehrere µC oder speziellere wie MEGA 2560PRO, Teensy oder STM32.

[bluebook]

Hallo agmue,

sorry war aufgrund meines Status für 24H gesperrt....
Also um deine erste Frage bezüglich der Laufzeit zu beantworten muss ich dir leider eine Gegenfrage stellen...Wie kann ich ermitteln wieviel Ampere mein Akku liefern muss um meine Servos zu versorgen ? Also vorerst würden mir 15- 30 Minuten Laufzeit genügen, mir geht es primär um Lernen und weniger ums spielen mit dem Roboter ^^
Grundsätzlich bin ich bereit auch etwas mehr Geld für die Servos zu bezahlen sofern sie wirklich gut verarbeitet sind ( mind. 10 Jahre Funktionalität gewährleisten) ...ganz nach dem Motto : lieber einmal etwas teuer als 2,3 oder 4 mal billig...

Also habe mich inzwischen entschieden... es soll ein 6-Beiniger Bot mit je 3 Servos werden...Mit deinem Lernbeispiel gebe ich dir absolut Recht, aber es spricht ja nichts dagegen schon die richtigen Komponenten zu kaufen. Statt jetzt einen kleinen Prototypen zu bauen und dafür bereits Geld auszugeben, kaufe ich lieber direkt "hochwertige" Ware... Du sagtest 16 Servos gleichzeitig sind mit IDE von Arduino machbar, wieso scheitert es an den 2 weiteren ?

PS: Habe das Arduino starter-kit bestellt und hoffe es morgen, spätestens übermorgen zu haben...dann kann ich mit meinen ersten Tests starten... Die grösste Hürde wird für mich das Programmieren darstellen, da ich mit CAD und 3D-Druck schon etwas vertraut bin. Und es spricht doch nichts dagegen schonmal den Bot ( Skelett) zusammenzuschrauben, zumindest die Beine...Der Torso wird dann vermutlich noch zahlreiche male adaptiert werden müssen, damit die Platinen, Akkus etc. Platz darin finden. Und Vielen Dank nochmal für deine Antwort

[agmue]

@bluebook

Wie kann ich ermitteln wieviel Ampere mein Akku liefern muss um meine Servos zu versorgen ?

Sagen wir mal, ein Servo "zieht" maximal 2,5 A bei 6 V, dann ist das bei 18 Servos und einer halbstündigen Laufzeit eine Akkukapazität von
18 * 2,5 A * 0,5 h = 22,5 Ah_{6 V Akku} oder 11,25 Ah_{12 V Akku}

Im praktischen Betrieb werden aber nicht alle Servos den maximalen Strom benötigen, der Bedarf dürfte stark dynamisch und durchschnittlich deutlich geringer sein.

@bluebook

Mit deinem Lernbeispiel gebe ich dir absolut Recht,

Beim Mondprogramm haben die klügsten Köpfe zusammengearbeitet, dennoch gab es herbe Rückschläge. Darauf möchte ich Dich einstimmen.

@bluebook

wieso scheitert es an den 2 weiteren ?

Die Begründung findest Du in der Doku zu den MobaTools.

[bluebook]

Dein Rechenbeispiel ist Gold wert. Vielen vielen Dank dafür, damit kann ich viel anfangen und es ist sehr einleuchtend.

Auch deinen Wink mit dem Zaunpfahl habe ich verstanden, jedoch handelt es sich bei mir nur um 200-300 Lehrgeld während es bei der NASA vermutlich etwas mehr war, daher bin ich gerne bereit das Risiko einzugehen

Bezüglich der Servoanzahl wurde ich in einem weiteren Beitrag fündig, scheinbar brauche ich eine grössere Version des Arduino ...Mega, mit dem sollen wohl bis zu 48 Servos ansteuerbar sein.

Um nochmal auf die Rechnung zurück zu kommen, dann müsste ich bei Servomodellen von 4.8-6V mit max. 2.5A und einer Powerbank mit 20000mAh mit 5V pi mal Daumen meine 25 Minuten haben, kann das sein oder übersehe ich etwas ?

LG

[uwefed]

@agmue

Sagen wir mal, ein Servo "zieht" maximal 2,5 A bei 6 V,

2,5A sind laut daten in #10 der Kurzschlußstrom des Servos (wenn dieser mechanisch blockiert wird). Das wird nicht dauernd und für alle Servos der Fall sein. Darum würde ich mich näher an den 0,5A "Running Current" orientieren und so bei 18 Servos auf 9A kommen. Einige üppige Reserven mitgerechent etwas zwischen 15 und 18A. Genaueres erhälst Du durch messungen am fertigen Robot.
Darum 18A * 0,5h ergibt eine Kapazität der Batterie von 9Ah bei 6V. Hat die Batterie eine andere Nennspannug braucht es DC/DC Wandler und eine umgerechnete Kapazität.

Grüße Uwe

[agmue]

@bluebook

Rechenbeispiel

Ich stimme Uwe vollkommen zu!

Die 2,5 A waren ein aus der Luft gegriffenes Beispiel, vermutlich aber doch durch den Kurzschlußstrom inspiriert. So schnell kann es zu Mißverständnissen kommen

@bluebook

daher bin ich gerne bereit das Risiko einzugehen

Finanziell wie auch mental ist das unbedingt notwendig. Die meisten hier im Forum vorgestellten Ideen werden vermutlich nie realisiert, so betrachtet ein Traum-Forum.

@bluebook

Arduino ...Mega

Die mechanisch kompakte Variante habe ich Dir verlinkt. Neben der großen Anzahl Pins sind auch Speicher und Prozessorgeschwindigkeit relevant. Da wirst Du Erfahrungen sammeln müssen.

So wie ich auch, denn @MicroBahner begrenzt die Anzahl der durch die MoboTools anzusteuernden Servos auf 16, gerade mit einem Mega2560 probiert geht es auch mit 18:

#include <MobaTools.h>
MoToServo meinServo[18];

const uint8_t SPEED = 20;
const uint8_t POS1 = 0;
const uint8_t POS2 = 180;

void setup() {
  for (uint8_t servo = 0; servo < 18; servo++)
  {
    meinServo[servo].attach( 22 + servo );  // bin faul
    meinServo[servo].setSpeed( SPEED );
  }
}

void loop()
{
  for (uint8_t servo = 0; servo < 18; servo++)
  {
    meinServo[servo].write( POS1 );
  }
  while ( meinServo[0].moving() ) {
    delay(100);
  }
  delay(1000);

  for (uint8_t servo = 0; servo < 18; servo++)
  {
    meinServo[servo].write( POS2 );
  }
  while ( meinServo[0].moving() ) {
    delay(100);
  }
  delay(1000);
}

Möglicherweise mißverstehe ich auch was und die begrenzenden 20 ms beziehen sich nur auf Fernsteuerungen.

Ob ein Mega2560 mit 18 Servos 16 Servos flüssige Abläufe hinbekommt, ist dann noch eine ganz andere Frage.

Kennst Du Adafruit PCA9685 16-Channel Servo Driver? Sowas könnte man bei Bedarf mit einem schnelleren µC, der weniger Pins hat, kombinieren.

Möglicherweise magst Du meine Anleitung: RC-Servo mit Istpositionsmeldung - Anfangszucken unterdrücken.

EDIT: 18 Servos funktionieren leider doch nicht. Die Instanzen lassen sich anlegen, tun aber nichts.