Neukonstruktion / "Open Source"

[x12r13]

Hello Forum,

hab ein Haus geerbt, das 400m2 wunderschönen englischen Rasen hat. Nachdem ich den Zustand bewahren mag, aber gartenarbeitsscheu bin brauche ich dringend einen Mähroboter.

Hab mich mal schlau gemacht, hier mein bisheriger Stand der Forschung:

1) Gartenrasenmäher haben üblicherweise zwischen 500W und 4kW Motoren
2) Die normale Mähgeschwindigkeit ist Schrittempo (< 1m/s)
3) Der ARDUMOVER ist eine nette Bastel- und Entwicklungsplattform mit einer aktiven Community

Bitte um Korrektur falls sich da Fehler eingeschlichen haben.

Anforderungsprofil an den Rasenbot:

* Hardwarekosten < 700 EUR
* Es sollen möglichst viele 3d Druckerteile verwenden werden (um Ersatzteilprobleme zu verhindern)
* Der Mäher soll auch "im Handbetrieb" funktionieren
* Ein Rasenauffangbehälter ist vorzusehen (ich plane den Rasenschnitt später als Biomasse zu verwerten)
* Das Mähwerk muß abnehmbar sein, um es z.B. auch durch ein Schneeschild, eine Bürste oder einen "Walnußsammler" ersetzen zu können
* Ich mag mich draufsetzen und damit herumcruisen können
* Wetterfest und Wintertauglich
* Der Lärm soll sich in Grenzen halten
* Wartungsfreundlich
* Gewisse Sicherheitsstandards einhalten


Infrastruktur & Services, die der Rasenbot am Arbeitsort zur Verfügung hat:
* WLAN
* Ein zuständiger Server im Trockenen mit ausreichend Rechenleistung und Speicherkapazität
* Elektrischer Strom
* Wasser
* "Schlafplatz"
* regelmässige Wartung

Ich will keinen Marsroboter, der die nächsten 5 Jahre vollkommen autonom arbeitet. Mir reicht es, wenn ich am Knopf drücke, der Rasenbot ausrückt, den Job macht und sich zwecks Entleerung und Endreinigung wieder am Zielort X einfindet.

No Go's:

* Bauteile, die nicht aus dem 3d Drucker kommen, "beim Conrad", "im Baumarkt" oder im "Fahrradladen" erhältlich sind
* Drähte im Garten vergraben
* "Unobservierter Betrieb": Er soll zwar selbstständig Mähen, aber stets unter Beobachtung stehen. Ob live oder remote via Kameras sei jetzt einmal dahingestellt.
* Proprietäre Features: Es muß ALLES Open Source sein

Aufbau:
* Kettenantriebseinheit
* Kraftmotor mit Zapfwelle oder Einzelantrieb vom Mähwerk (hat beides Vor- und Nachteile)
* Stromversorgung (handelsübliche (Auto)Batterien)
* Das Arbeitsgerät, im Anwendungsfall das "Mähwerk"
* Auffangbehälter
* Bordcomputer mit Sensornetzwerk

Wenn das so weit passt würde ich dann zu technischen Details kommen

Bitte um Feedback

LG Armin

 

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Vieles halte ich für kaum Umsetzbar, zumindest nicht in dem Kosten Rahmen.
Aber etwas ähnliches will ich auch bauen.
Ein Grundrahmen aus Alu Profilen (ca. 50cm breit und 80cm lang)
Als Antrieb nehme ich unsere Antriebsmotoren, die haben den Ardumower mit über 100kg Gewicht angetrieben, das reicht mir völlig.
Die Ardumower Steuerung macht alles was ich will. (Steuerung auch über RC oder Handy Möglich)
Mir fehlt es leider ständig an Zeit.
Aber wenn ich es fertig habe soll der Rahmen halt für alles mögliche genutzt werden können.
Mörtelwanne rein und als Elektrische Schubkarre nutzen oder eine Schneebürste im Winter vorne einsetzen.
Über die Alu Schienen ist man flexibel und kann alles mögliche dran befestigen/anbauen.
Ich bin gespannt wie Du das umsetzen willst.

 

[x12r13]

Hello Community,

wollte mal einen kurzen Zwischenbericht liefern.

Die Schrittmotoren (2x NEMA 17, 24V, 42BYGH47-401A a 12 EUR) und die
Treiber (2x SparkFun AutoDriver L6470 a 30 EUR) sind da, der Entwurf vom Raupenantrieb ist fertig.

Das Design habe ich von einem Grasski abgekupfert. Man erspart sich dadurch die Laufkettenproblematik. Jetzt kann man auf normale Spanngurte aus dem Baumarkt als Rollkörperverbinder zurückgreifen, die Gummipolster schneide ich aus einem alten Fahrradmantel. Alle Bauteile kann man in der Prototypenphase mit dem 3d Drucker herstellen

Wenn die Tests erfolgreich sind stelle ich die Druckdateien auf thingiverse

Bis dato habe ich für die Hardware inkl Versand rund 100 EUR ausgegeben.

Für die ersten Tests nehme ich fürs erste zwei alte Motorradbatterien, habe allerdings schon zyklenfeste Bleivlies Akkumulatoren um rund 50 EUR im Auge, z.B. Multipower MP26-12 / 12V 26Ah

Ein einzelner Stepper schafft lt. Datenblatt 48W im Dauerbetrieb, damit sollte ich auskommen, wenn ich das mit den üblichen "Mini E-Scooter" Motorisierungen vergleiche.

Meine Web App schafft es inzwischen Screenshots von den Sony PS3 Kameras aufzunehmen (Kosten ~3 EUR pro Stück) und in ein OpenCV Bildobjekt umzuwandeln. Mit der Software beschäftige ich mich aber erst näher wenn die Arbeitsplattform durch den Garten rollt.

LG Armin

 

[jemihi]

Hi,

sind die Nema 17 nicht ein bissel klein und schwach auf der Brust (Haltemoment typischerweise von 0,5Nm)?

Hast du das erforderliche Drehmoment mal ausgerechnet ?

Hier ist ein Rechner vom Roboternetz: http://www.roboternetz.de/community/misc.php?do=page&template=motorberechnung/
Außerdem hier noch was zu Schrittmotoren: http://rn-wissen.de/wiki/index.php?title=Schrittmotoren
Denk dran, dass das Haltedrehmoment beim Schrittmotor um ein vielfaches größer ist als das Drehmoment im Betrieb. Das reduziert sich durch die Selbstinduktion bei höheren Frequenzen erheblich.

Ansonsten würde ichmich über Bilder deines Projektes freuen.

Gruß,
Jem

 

[x12r13]

Hi,

sind die Nema 17 nicht ein bissel klein und schwach auf der Brust (Haltemoment typischerweise von 0,5Nm)?

Hast du das erforderliche Drehmoment mal ausgerechnet ?

Ja, sie sind klein. Aber ich hoffe es geht sich trotzdem aus.

Wenn man es über die Impedanz ausrechnet, kommt man auf einen Grenzwert von 13 Umdrehungen pro Sekunde. Bei höheren Drehzahlen bekommt man den Strom (oder wars die Spannung?) nicht mehr in die Spule.

Schritttempo = 3,6 km/h = 1 m/s

Bei einem Treibrad mit 16cm Durchmesser braucht man 2 Umdrehungen pro Sekunde

Dh ich habe eine Übersetzung von 6:1

Das Stelldrehmoment ist 2.6 N*cm

Dh. pro Raupe stehen 15.6 N*cm zur Verfügung

Das Planetenrad hat einen Durchmesser von 26mm, macht eine Kraft von 12N

Mal schauen ob 24N ausreichen um das Ding zu bewegen

LG Armin

 

[jemihi]

Ah, du baust dir ein Getriebe dazwischen. Entweder ich hab es überlesen oder das hattest nicht erwähnt.

Willst du die Batterien parallel oder in Serie schalten ? Hast du das Drehmoment von 2,6Ncm (bei 24V ?) aus dem Datenblatt? Wenn ich mich mit den Einheiten nicht irre, müsse ein normaler Nema17 bei 750 1/min etwa 25Ncm schaffen ... hmm ...

Ist das Getriebe ein Planetengetrieb? Oder was meinst du mit Panetenrad? Wie kommst du auf die 24N zur Fortbewegung? Wie schwer, erwartest du, wird dein Mäher (jeder der beiden von dir genannten Akkus wiegt 9,5kg)? Wenn ich das nachrechne, dann hast du einen Vortrieb von 25Ncm * 6 / 8cm = 18,75N * 2 = 37N. Wenn man dann, den bei Rasen vorhandenen Rollwiderstand außen vor lässt, dann schafft der Mäher eine Steigung 15,4% (oder 8,9°). Das alles mit Wirkungsgrad vom Getriebe von 1 Reduziert sich folglich mit jeder Getriebestufe um 2-6%, sofern du kein Schneckengetriebe nutzt. Der Rollwiderstandsbeiwert von einer festen Grasnarbe liegt im übrigen zwischen 0,1 und 0,15, d.h. du brauchst immer mind. 10% mehr Drehmoment/Leistung für alles, was du machen willst. Das heisst, du brauchst bei einem 3-stufigen Getriebe auf Rasen etwa 35% mehr errechnete Leistung. Oder andersherum, es kommt weniger am Antriebsrad an. In meiner Rechnung kommen nur 27N am Antriebsrad an und somit reduziert sich die maximale Steigung von 15% auf 11% (oder 6,5°). Da musst du halt schauen, dass dein Gelände innerhalb dieser Grenze liegt.

Wenn ich in den Rechner mit 780 1/min und 24kg Gewicht gehe und als Übersetzung des Getriebes 6:1 und als Antriebsraddurchmesser 16cm eingebe, dann wird ein erforderliches Drehmoment vom Motor von 1,9 Nm vorgeschlagen (also 11,5Nm am Getriebeausgang). Aber ich habe nicht nachgeschaut, wie die darauf kommen.

Gruß,
Jem

 

[x12r13]

Ah, du baust dir ein Getriebe dazwischen. Entweder ich hab es überlesen oder das hattest nicht erwähnt.

Ein aussenverzahntes ritzel auf der motorwelle treibt das innenverzahnte rad mit der triebstockverzahnung an, welches die rollkörper an den zapfen greift und damit den Riemen bewegt.

Willst du die Batterien parallel oder in Serie schalten ? Hast du das Drehmoment von 2,6Ncm (bei 24V ?) aus dem Datenblatt? Wenn ich mich mit den Einheiten nicht irre, müsse ein normaler Nema17 bei 750 1/min etwa 25Ncm schaffen ... hmm ...

Lt. Datenblättern von anderen ähnlichen Motoren hat er ein Positionierdrehmoment irgendwo zwischen 1,5 und 3,0 N*cm. Was da mit Positioniermoment genau gemeint ist hab ich bis heute noch nicht herausgefunden. Die Kraft wird ja von der Stellung der Magnetpaare abhängen, und in der Nähe der Haltepunkte deutlich ansteigen.

Die Batterien werden in Reihe geschalten, 2x12V = 24V

Ist das Getriebe ein Planetengetrieb? Oder was meinst du mit Planetenrad? Wie kommst du auf die 24N zur Fortbewegung?

"normale Zahnradübersetzung", nur das man beim "angetriebenen Rad" eine Innenverzahnung hat. Übersetzungsverhältnis 1:6, zwei angetriebene Raupen, 6 * 2,6 / 1,3 x 2
(die Arbeit die man reinsteckt muß ja auch rauskommen)

Wie schwer, erwartest du, wird dein Mäher (jeder der beiden von dir genannten Akkus wiegt 9,5kg)? Wenn ich das nachrechne, dann hast du einen Vortrieb von 25Ncm * 6 / 8cm = 18,75N * 2 = 37N. Wenn man dann, den bei Rasen vorhandenen Rollwiderstand außen vor lässt, dann schafft der Mäher eine Steigung 15,4% (oder 8,9°).

Alles zusammen ca. 25kg. Wenn die 2x40 = 80 W zu 80% ankommen, sind das immerhin noch 64W Antriebsleistung

Auf Hubleistung umgerechnet komme ich auf m * g * v = 64 W -> v = 0,25 m/s

Dh 25 Prozent Steigung bei 1 m/s Fahrtgeschwindigkeit. Mein Garten ist zwar eben, aber ich werd das in der Garageneinfahrt testen. Die hat rund 20 Prozent Steigung.

Das alles mit Wirkungsgrad vom Getriebe von 1 Reduziert sich folglich mit jeder Getriebestufe um 2-6%, sofern du kein Schneckengetriebe nutzt. Der Rollwiderstandsbeiwert von einer festen Grasnarbe liegt im übrigen zwischen 0,1 und 0,15, d.h. du brauchst immer mind. 10% mehr Drehmoment/Leistung für alles, was du machen willst. Das heisst, du brauchst bei einem 3-stufigen Getriebe auf Rasen etwa 35% mehr errechnete Leistung. Oder andersherum, es kommt weniger am Antriebsrad an. In meiner Rechnung kommen nur 27N am Antriebsrad an und somit reduziert sich die maximale Steigung von 15% auf 11% (oder 6,5°). Da musst du halt schauen, dass dein Gelände innerhalb dieser Grenze liegt.

@Wirkungsgrad: stimm ich dir zu, aber ich hoffe, dass der Rollwiderstand durch das Rollkörper auf Schiene Konzept geringer wird als beim "Rollrad im weichen Boden"

Wenn ich in den Rechner mit 780 1/min und 24kg Gewicht gehe und als Übersetzung des Getriebes 6:1 und als Antriebsraddurchmesser 16cm eingebe, dann wird ein erforderliches Drehmoment vom Motor von 1,9 Nm vorgeschlagen (also 11,5Nm am Getriebeausgang). Aber ich habe nicht nachgeschaut, wie die darauf kommen.

Gruß,
Jem

P = 2*PI*M*n = 6,28 * 1,9 * 13 = 155 W

Kommt mir sehr hoch vor.

Wenn man am BMX Rad mit 100 W durch den Garten strampelt bewegt man das 3 fache Gewicht und fährt deutlich schneller als mit Schrittgeschwindigkeit. Keine Ahnung was da ausgerechnet wird.

LG Armin