Salu zusammen
Nach einiger Zeit, in welcher ich mit anderen Projekten beschäftigt war, melde ich mich nun wieder einmal mit einem LED-Projekt zurück.
Idee:
Ich hatte schon lange die Idee eine autonome Roboterlampe zu designen. Was soll man sich jetzt darunter vorstellen? Schlussendlich handelt es sich um eine Lampe, welche auf einem Schienensystem, welches an der Decke montiert ist, entlang fahren kann. Ziel ist es, in einem langen Gang (ca. 7.5m) immer dort Licht zu haben, wo man sich gerade befindet.
Dies kann in zwei unterschiedlichen Modi geschehen:
1. Handsteuerung via Bluetooth über Mobiltelefon oder Tablet (Android)
2. Autonome Steuerung: Die Lampe sucht sich bewegende Objekte und verfolgt diese.
In einem ersten Schritt wurde ein mechanisches Modell mittels Sketchup erstellt. Die Teile wurden auf einer Fehlmann Fräs- Bohrmaschine in Eigenregie gefertigt. Als Drehbank stand eine alte Schäublin Drehbank zur Verfügung. Das Finish der mechanischen Teile wurde von Hand vorgenommen.
Die Elektronik wurde mittels eines CAD-Systems gelayoutet und anschliessend mit einer Printfräse gefräst. Verzinnt, bestückt und gelötet wurde das PCB von Hand.
Ausführung:
Elektronik:
Die Elektronik Hardware besteht aus folgenden Komponenten (kein Anspruch auf Vollständigkeit)
- Mikrocontroller-Unit
- Voll integrierte H-Brücke
- Berührungsloser Rotary Encoder auf Hall-Basis
- Motorstromsensor
- DC-Getriebemotor (Untersetzung 5:1)
- 3 Servokanäle um die Sensoren zu bewegen
- 3 PIR-Bewegungsmelder
- 3 Ultraschall-Sensoren
- Temperatursensor um die Entfernungsmessung zu korrigieren
- Bluegiga Bluetooth Modul zur Kommunikation mit einem Android Device (Mobiltelefon / Tablet ect.)
- 3 Konstantstromquellen für die Power-LED (Recom RCD24)
Die Sensoren sind jeweils paarweise angeordnet (PIR- & Ultraschallsensor). Diese Sensoreinheit wurde mittels einer Montageplatte mit den Servos verbunden. Die Sensoren können somit in einer Achse geschwenkt werden. Es befindet sich jeweils ein Sensorpaar hinten am Schlitten, vorne am Schlitten und eine Einheit ist nach unten gerichtet.
Zur Regelung des Antriebs stehen zwei Sensoren zur Verfügung. Zum einen ein Rotary Encoder auf Hall-Basis (AS5115), zum anderen der Stromsensor (ACS714). Der Rotary Encoder ist ein Sin/Cos Encoder, welcher jeweils eine Periode pro Umdrehung ausgibt. Über die Phasenverschiebung der beiden Signale lassen sich der Drehwinkel, respektive die Winkelgeschwindigkeit herleiten. Hierzu musste auf die Motorwelle ein Diamagnet aufgebracht werden. Dieser wurde mittels eines nicht magnetisch leitenden Spacers montiert. Dies ist nötig, da sich die Feldlinien ansonsten nicht im IC schliessen, sondern über die magnetisch leitende Verbindung ausserhalb des IC. Der Stromsensor ist ein analoger Sensor, welcher auch High-Side eingesetzt werden kann (kein Massebezug nötig). Als Motorendstufe kommt eine voll integrierte H-Brücke von Freescale zur Anwendung (MC33886).
Die Energieübertragung erfolgt von den Schienen auf den Schlitten mittels Kohlebürsten, Die Schienen haben auf der Innenseite ein Kupferprofil über welches die Energie bereitgestellt wird. Da diese Art der Energieübertragung diverse Störungen verursacht, wurde nach den Kohlebürsten ein mehrstufiges Filter eingebaut.
Die Power LED sollen in drei Gruppen steuerbar sein. Diesbezüglich kommen drei Konstantstromquellen (350mA) der Firma Recom zum Einsatz. Somit können mit +24V Betriebsspannung 21 (3x7) warmweisse 1W LED betrieben werden. Die einzelnen Gruppen sind via Bluetooth Verbindung, aus der Android App heraus, dimmbar.
Mechanik:
Die Mechanik des Schlittens sieht auf den ersten Blick trivial aus, hat aber durchaus seine Tücken. Der Schlitten ist ca. 200mm lang und 100mm breit. Als Räder dienen Laufrollen aus POM, welche auf einem speziell für diese Rollen designten Profil laufen. Das Laufprofil ist aus eloxiertem Aluminium welches einseitig, seitlich einen Kupferstreifen zur Energieübertragung aufweist. Der Schlitten wurde als 4WD ausgeführt (einmal Quattro immer Quattro :o))
Chassis:
Das Chassis des Schlittens besteht aus Aluminium-Vierkantprofilen (10mmx20mm). Diese wurden gewählt um die Stabilität zu gewährleisten und weil diese Profile gut bearbeitbar sind. Es dient als Grundträger für alle weiteren Bauteile wie Motor, Encoder, Speisspannungsaufbereitung, Elektronik, die Lampe selbst, ect.
Achsen und Zahnräder:
Die Achsen des Schlittens wurden aus rostfreiem Stahl hergestellt. Die Querwellen, welche zu den Rädern führen, haben auf den äussersten Millimetern ein Aussengewinde. Die Felge der Laufrolle ein entsprechendes Innengewinde. Somit kann mit dem Anzugsmoment der Rollen, zu einem gewissen Mass das Lagerspiel eingestellt werden.
Die Kraftübertragung erfolgt mittels Stahlzahnrädern. Der Abtrieb vom Motor zur Längswelle wurde mit zwei Stirnzahnrädern gelöst. Die Umlenkung auf die Querwellen mittels Kegelrädern. Die Übersetzung vom Motor bis zu den Rädern wurde 1:1 ausgeführt. Die eigentliche Untersetzung geschieht bereits im Motor. Dieser verfügt intern über ein Planetengetriebe mit der Untersetzung 5:1.
Lagerung:
Sämtliche Wellen und andere bewegliche Teile wurden zweifach kugelgelagert. Die Kugellager sind aus dem Modellbau und haben einen Aussendurchmesser von 10mm.
Laufrollen und Felgen:
Die Laufrollen sind aus zwei Teilen aufgebaut. Der umlaufende Körper ist aus POM gefertigt. Diesen Teil der Laufrolle erhält man als Kaufteil. Die „Felge“ der Laufrolle wurde selber auf der Drehbank aus Aluminium gedreht. Das Befestigen der Felge in der Rolle geschieht durch Verpressen der beiden Teile. Zur Sicherung des Ganzen wurde jeweils ein Sprengring pro Rolle verbaut.
Laufprofil und Stromschiene:
Das Laufprofil ist ein auf die Laufrolle speziell abgestimmtes Profil aus eloxiertem Aluminium. Auf einer Seite des Laufprofils wurde, mit speziellem Klebstoff, ein Kupferstreifen zur Energieübertragung aufgebracht. Die Schienen sind in einer Länge von jeweils 2.5m ausgeführt und müssen an den Verbindungsstellen zusammengesetzt werden.
Energieübertragung:
Die Energieübertragung erfolgt mittels Kohlebürsten, welche auf das Kupferprofil der Laufschiene drücken. Es sind jeweils drei Kohlebürsten pro Seite montiert. Diese Redundanz ist nötig, da nicht sichergestellt werden kann, dass die Kohlebürste immer in Kontakt mit der Stromschiene sind. Kurzzeitige Unterbrüche durch Verunreinigungen oder Unebenheiten sind nicht auszuschliessen. Die drei Kohlebürsten pro Seite werden jeweils zusammengefasst und auf eine Kupferschiene geleitet, welche sich auf dem Schlitten befindet. Diese Schienen sind untereinander sowie gegenüber dem Schlitten, isoliert ausgeführt. Jegliche Energie die der Schlitten und die Lampe benötigen, wird von diesen Schienen abgegriffen.
Aufhängung Lampe und Federung:
Die eigentliche Lampe hängt im Schwerpunkt des Schlittens nach unten gerichtet an einer beweglichen Verbindung. Da die Lampe ein gewisses Trägheitsmoment besitzt, würde bei starker Beschleunigung / Abbremsung, der Schlitten aus den Schienen springen. Um dies zu verhindern, wurde die Lampenbefestigung über Stossdämpfer, gegenüber dem Chassis gedämpft ausgeführt.
Sensorhalter:
Die Halter der Sensoren wurden aus Aluminiumblech gefräst und auf der Rückseite mit einem Winkel versehen. Somit können die Sensoreinheiten ohne Probleme an die Servohörner geschraubt werden.
Projektstand:
Zum heutigen Zeitpunkt ist das Roboterchassis fertig aufgebaut und fahrtüchtig. Die Schienen liegen bereits bereit um sie an die Decke zu montieren.
Die eigentliche Lampe wurde jedoch noch nicht gefertigt. Diese wird ebenfalls selber designet und aufgebaut. Zurzeit sind sehr viele Ideen vorhanden, aber noch nicht entschieden welche es denn werden soll.
Ich werde mich sicherlich melden wenn es weiter geht und die Lampe in der Entstehungsphase ist. Da ich jedoch vor kurzem einen neuen Job angefangen habe, ist Zeit im Moment ein bisschen Mangelware. Da das Projekt aber bereits einen gewissen Reifegrad hat, dachte ich, man kann es
sicherlich einmal im derzeitigen Stand präsentieren.
Gruss reflection