Forum: Mechanik, Gehäuse, Werkzeug Schubhebel mit künstlichem "Gefühl" bauen


von Gerhard (Gast)


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Hallo,

für einen Proof-of-Concept-Prototypen möchte ich einen Schubhebel 
(ähnlich wie im Flugzeug) bauen, der sich je nach Wunsch "anfühlt" - da 
fehlen mir die passenden Vokabeln. Vielleicht "force feedback"?

Im "Leerlauf" soll sich der Hebel ganz leicht von mechanischem zu 
mechanischem Anschlag bewegen lassen. Eine Elektronik soll über ein noch 
auszudenkendes Antriebssystem beispielsweise

- künstliche Rasten;
- einen Bereich, in dem sich der Hebel schwerer bewegen lässt;
- einen künstlichen Anschlag, der verstellbar ist, simulieren.

Ich hoffe, man versteht, was ich meine.

Der Hebel soll auch durch die  Elektronik selbst bewegt werden können 
(nach Art des Autothrottle bei einem Flugzeug). D.h., wenn 
Automatisierung eingeschaltet ist, soll dem Bediener ein Feedback 
gegeben werden, was die Automatik gerade tut.

Die Rasten dienen dazu, bestimmte Standard-Einstellungen blind anfahren 
zu können. Ein künstlicher Anschlag soll dazu dienen, den Hebel auf den 
gerade erlaubten Maximalwert zu begrenzen, der sich variabel aus dem 
Betriebszustand ergibt.

Als Sensoren für Hebelposition und -Kraft würde ich einen hoch 
aufgelösten Winkelgeber und Dehnmessstreifen am "Schaft" einbauen. 
Dieser Teil der Hardware ist für mich kein Problem.

Meine Frage zielt eher darauf ab, wie man so einen Antrieb und den 
Force-Feedback-Teil mechanisch am besten umsetzt. Es muss ja doch ein 
höheres Drehmoment aufgebracht werden können. Wenn man aber jetzt 
beispielsweise einen Schrittmotor und eine Zahnstange oder ähnliches mit 
hoher Untersetzung hernimmt, wäre der Widerstand im Leerlauf schon zu 
hoch und außerdem das Gefühl am Hebel "gerastert" durch die 
Eigenschaften des Schrittmotors. Gibt es da bessere Konzepte?

von Michael B. (laberkopp)


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Man kann den Hebel an einenn Schrittmotor hängen. Je nach Haltestrom des 
Schrittmotors hat man dann kaum, wenig oder viel mechanischen Widerstand 
beim Verstellen, zudem kann der Schrittmotor den Hebel bewegen.

Falls die Kraft des Schrittmotors nicht reicht kann noch ein Getruebe 
dazwischen.

Nun allerdings per Schrittmotor die übersprungene Rastungen erfassen zu 
können, erschjeint mir zu gewagt, man wird einen zusätzlichen Encoder 
brauchen für die tatsächliche Position. Das kann ja auch ein lineares 
poti sein.

Und weil das Pti weiss wom der Hebel ist, kann man damit auch den 
Haltestrom des Schrittmotortreibers umschalten, damit er plötzlich 
schwer geht oder Rastungen an wenigen Stekllen bekommt.

von Hopix (Gast)


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Ich könnte mir das so vorstellen.

Als Hebel nimmst du eine Wiegezelle die am unteren Punkt als Drehpunkt 
befestigt ist, mit dem Ausgangssignal der Wiegezelle (uber 
Auswerteelektronik) steuerst du einen Motor (mit Drehgeber) an, der den 
Hebel über eine Spindel bewegt.

So solltest du alles umsetzten können.

Gruß Hopix

von butsu (Gast)


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Gerhard schrieb:
> Wenn man aber jetzt beispielsweise einen Schrittmotor und eine
> Zahnstange oder ähnliches mit hoher Untersetzung hernimmt, wäre der
> Widerstand im Leerlauf schon zu hoch und außerdem das Gefühl am Hebel
> "gerastert" durch die Eigenschaften des Schrittmotors. Gibt es da
> bessere Konzepte?

Wenn du einen Reluktanzmotor nimmst, gibt es im stromlosen Zustand kein 
Rastmoment. Wenn du damit allerdings wirklich einen Anschlag (also echt 
hohes Haltemoment...) erreichen willst, wird der Energieverbrauch und 
die Größe bald unschön.
Abhilfe könnte eine elektrische Bremse schaffen.

von Uto der Sabbernde (Gast)


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Ein ordentlicher Schrittmotor hat schon ein nettes Haltemoment und die 
Rastung könnte man Elektronisch durch ein und ausschalten der 
Motorspannung regeln.
Bei einem "normalen" Motor könnte abruptes loslassen des Hebels zu 
ungewollten überschwingen führen

von Hopix (Gast)


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Uto der Sabbernde schrieb:
> Bei einem "normalen" Motor könnte abruptes loslassen des Hebels zu
> ungewollten überschwingen führen


Das ist wohl wahr aber dann ist der Regler falsch eingestellt.

So ähnlich wird das bei Maschinen gemacht, hier wird eine Handbedienung 
eines Schlittens motorisch unterstützt, da überschwingt nichts.

von Hopix (Gast)


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von Marcus H. (Firma: www.harerod.de) (lungfish) Benutzerseite


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Gerhard schrieb:
> für einen Proof-of-Concept-Prototypen möchte ich einen Schubhebel
> (ähnlich wie im Flugzeug) bauen, der sich je nach Wunsch "anfühlt" - da
> fehlen mir die passenden Vokabeln. Vielleicht "force feedback"?

Interessantes Thema. In "meiner" C172, Baujahr 1965, gibt es die 
Möglichkeit, den Drosselklappenschieber zwischen Leicht- und 
Schwergängig anzupassen.

Bei Kleinflugzeugen (fly-by-Seilzug) sind mir bisher nur Autopiloten 
über den Weg gelaufen, die per Reibrad auf den Seilzug wirken. Der 
entsprechende Hebel bewegt sich dann einfach mit und kann mit genügend 
Pilotenkraft auch gegen den Automaten bewegt werden.

Aber hast Du mal im Internet gesucht, wie die Elektromechanik in 
fly-by-wire-Kisten wie A380 und Konsorten aufgebaut ist? Das müsste Dir 
doch Anregungen geben.


Für einen Demonstrator könnte ich mir ein sehr starkes Modellbauservo 
vorstellen, mit gesondert rausgeführtem Winkelgeber (Marketingspeak für: 
Draht am Poti).

von Hopix (Gast)


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Marcus H. schrieb:
> starkes Modellbauservo
> vorstellen,

Der Tip mit dem Servo ist gut, er entspannt die ganze mechanische Sache.

Dann mach die Wiegezelle

sowas hier
http://www.ebay.de/itm/like/191777136071?lpid=106&chn=ps&ul_noapp=true
(hab nix damit zu tun, ist keine Werbung, nur als Beispiel)

direkt auf den Servohebel.

von Wolfgang (Gast)


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Uto der Sabbernde schrieb:
> Ein ordentlicher Schrittmotor hat schon ein nettes Haltemoment und die
> Rastung könnte man Elektronisch durch ein und ausschalten der
> Motorspannung regeln.

Da passt der Nick

Schrittmotoren werden mit Strom gesteuert, jedenfalls wenn man 
irgendwie vernünftig definierte Momente erzeugen möchte. Das hängt damit 
zusammen, dass die Stärke des Magnetfeldes vom Strom abhängt.

Die Motorspannung ist da eher nebensächlicht - das sollte sich 
inzwischen eigentlich rumgesprochen haben.

von Peter P. (peter_p781)


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butsu schrieb:
> Gerhard schrieb:
>> Wenn man aber jetzt beispielsweise einen Schrittmotor und eine
>> Zahnstange oder ähnliches mit hoher Untersetzung hernimmt, wäre der
>> Widerstand im Leerlauf schon zu hoch und außerdem das Gefühl am Hebel
>> "gerastert" durch die Eigenschaften des Schrittmotors. Gibt es da
>> bessere Konzepte?
>
> Wenn du einen Reluktanzmotor nimmst, gibt es im stromlosen Zustand kein
> Rastmoment. Wenn du damit allerdings wirklich einen Anschlag (also echt
> hohes Haltemoment...) erreichen willst, wird der Energieverbrauch und
> die Größe bald unschön.
> Abhilfe könnte eine elektrische Bremse schaffen.

Schrittmotoren ohne Rastmoment hat doch niemand..
Wenn schon dann speziell für Einsatzzweck wenn kein Rastmoment gewollt 
ist.

von Hopix (Gast)


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Ist
Gerhard (Gast)
noch da?

Ein wenig Rückmeldung wäre nett.

von Uto der Sabbernde (Gast)


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Ich glaube wenn man die Motorspannung abschaltet gibt es auch keinen 
Strom mehr. Es gibt nicht um Details der Regelung.

von Gerhard (Gast)


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Danke für eure Gedanken.

Die Sache mit der Kraftmessung ist relativ klar, da gibt es nämlich 
schon Vorarbeiten. Die ist auch genau wie hier vorgeschlagen ausgeführt, 
nämlich als Wägezelle am Fuß des Hebels in der Nähe des Drehpunktes mit 
vier Dehnmessstreifen.

Es gibt auch schon einen fein aufgelösten absoluten Winkelgeber. Wie der 
intern genau funktioniert, weiß ich allerdings nicht. Jedenfalls steht 
der Winkel digital zur Verfügung genau wie die Kraft.

Mein Problem ist eher die mechanische Umsetzung des Antriebes und der 
Bremse, wobei beides natürlich in einem Schrittmotor oder einem 
Servomotor etc. zusammengefasst werden könnte.

Eine Bremse, beispielsweise als federbelasteter Reibbelag, der mit einem 
Hubmagneten gelöst werden kann, hatte ich auch schon im Kopf. Der 
bestechende Vorteil wäre, dass zum Halten (Normalzustand) keine Energie 
benötigt wird. Allerdings mache ich mir Sorgen, ob man dann nicht ein zu 
hohes "Losbrechmoment" am Hebel aufbringen müsste, was die 
Feineinstellung stark erschwert. Die Erkennung einer ganz leichten 
Handkraft ist wegen der Drift und überlagerten Vibrationen nicht 
trivial.

Meint ihr, ein Schrittmotor mit geringer Untersetzung wäre geeignet? 
Gibt es Schrittmotoren mit extra niedrigem "stromlosen Rastmoment"?

von Marcus H. (Firma: www.harerod.de) (lungfish) Benutzerseite


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Gerhard schrieb:
> Gibt es Schrittmotoren mit extra niedrigem "stromlosen Rastmoment"?
Die heißen dann BLDC. ;)
Im Web findest Du Steadycam-Projekte, die auf "artfremd eingesetzten" 
BLDC basieren.

>Jedenfalls steht der Winkel digital zur Verfügung genau wie die Kraft.
Wenn Du hier noch optimieren willst, kannst Du die Kraft aus dem 
Servomotormoment und den Systemparametern ausrechnen.
Will sagen, ein angezapfter Servoregler liefert Dir alle benötigten 
Regelgrößen.

von Christoph db1uq K. (christoph_kessler)


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https://en.wikipedia.org/wiki/Haptic_technology
Der Suchbegriff "haptic feedback" könnte helfen oder auch "tactile"

von Martin (Gast)


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Ich würde das Ganze über einen Schrittmotor lösen.
Über einen Drehgeber/Resolver an der Achse des Hebels lässt du dir die 
Position des Hebels erkennen, die wiederum von einer Elektronik 
ausgewertet wird, die dann wiederum entscheidet, ob sie mehr Strom auf 
die momentane Position geben soll oder nicht. ("Bremswirkung" oder 
nicht).

von Max D. (max_d)


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Ein servo kannst du ja beliebig in der Lage ansteuern und für das Gefühl 
"Hebel geht frei" fährst du den servo eben schon bei einer winzigen 
Kraft am Hebel weiter.
Das Problem mit Vibrationen kannst du durch einen Filter (tiefpass) 
umgehen (gibt dann je nach Tau das Gefühl eines hochwertigen audiopotis, 
wer das kennt)...

von Martin (Gast)


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Ein Servo ist doch viel zu träge...
Und es tut dem Getriebe sicherlich nicht gut, wenn man es "umgekehrt" 
betreibt, in dem man den Servohebel drückt. (Selbsthemmung etc.)

So schnell wie ein Hebel nach vorne/hinten bewegt werden kann...da 
überschlägt sich ja die Ritzel im Servo!

Schrittmotor: kein Verschleiß.

von Max D. (max_d)


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Es muss ja kein 50 Cent Kartoffelservo sein.
Es gibt servos mit Metallgetriebe und massivem Drehmoment und 
stellzeiten von <0,1s/60°.  Die Teile lachen über alles was der Nutzer 
denen so entgegen werfen kann.

von Martin (Gast)


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Max D.

was ist denn das für ein Arschgelabere.
Was hat das mit der Bauart des Getriebes zutun?

Das Getriebe eines solchen Servos ist dafür ausgelegt, untersetzt 
angetrieben zu werden und übersetzt zu arbeiten.

Man beachte außerdem die Kraft auf den kleinen Hebelarm des Servos, der 
von einem viel mächtigeren Hebel (vermutlich Faktor 5) bewegt werden 
würde.



Machs mit nem Schrittmotor und einer kleinen Elektronik!

Servo, Servo, Servo, ich höre nur Servo.
Da steckt die meiste Mechanik drin, die nicht alltagstauglich ist. In 
einem Schrittmotor hat man so gut wie nichts, was verschleißt.

von Klaus (Gast)


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Martin schrieb:
> Da steckt die meiste Mechanik drin, die nicht alltagstauglich ist. In
> einem Schrittmotor hat man so gut wie nichts, was verschleißt.

Es wird nur nicht funktionieren. Wenn der Schrittmotor versucht einen 
Schritt zu machen, es aber gegen den Druck des Bedieners nicht schafft, 
ist er komplett aus dem Tritt und funktioniert garnicht mehr.

Probier es einfach mal aus. Halt mal die Achse eines angesteuerten 
Schrittmotors fest. Da gibt es nur zwei Fälle: entweder er ist so stark 
bzw. wird so stark bestromt, daß man ihn nicht halten kann, oder er 
verliert die Synchronisation und bietet dann fast keinen Widerstand.

Gerhard schrieb:
> - künstliche Rasten;
> - einen Bereich, in dem sich der Hebel schwerer bewegen lässt;
> - einen künstlichen Anschlag, der verstellbar ist, simulieren.

Das läßt sich mit einem Schrittmotor nicht erreichen. Entweder er bewegt 
sich von selbst schrittgenau, oder er ruckelt nur. In diesem Zustand 
kann man ihn eigentlich mühelos in beide Richtungen drehen.

MfG Klaus

von Marcus H. (Firma: www.harerod.de) (lungfish) Benutzerseite


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Martin schrieb:
> Servo, Servo, Servo, ich höre nur Servo.
> Da steckt die meiste Mechanik drin, die nicht alltagstauglich ist. In
> einem Schrittmotor hat man so gut wie nichts, was verschleißt.
Das Thema RC-Servo habe ich in die Diskussion geworfen, weil der 
"Kunde", sprich der TO, eine Lösung für ein "Proof of Concept" sucht.
Alltagstauglich kommt dann später.
Sucht man nach "big servo", poppt z.B. sowas hoch:
https://www.conrad.de/de/big-scale-servo-689-205108.html

BIG SCALE SERVO 689
Technische Daten

Getriebe
Metall

Gewicht
160 g

Servo-Typ
Spezial‑Servo

Lagerart
Doppelt kugelgelagert

Breite
32 mm

Servo-Technologie
Analog‑Servo

Höhe
61.6 mm

Stell-Moment bei 6 V
294 Ncm

Stecksystem
JR

Stell-Zeit bei 6 V
0.12 s / 60 °

Stell-Zeit bei 4,8 V
0.15 s / 60 °

Stell-Moment bei 4,8 V
255 Ncm

>Das Getriebe eines solchen Servos ist dafür ausgelegt, untersetzt
>angetrieben zu werden und übersetzt zu arbeiten.
>Man beachte außerdem die Kraft auf den kleinen Hebelarm des Servos, der
>von einem viel mächtigeren Hebel (vermutlich Faktor 5) bewegt werden
>würde.
Naja, 2,5Nm sind doch schon mal ein Anfang, oder?

von butsu (Gast)


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Was bringt ein proof-of-concept, wenn es später keine sinnvoll 
umsetzbare Lösung gibt?  und dafür fehlen ein paar mehr Daten, z.B.
- maximale Leistung
- Max. Gewicht
- Max. Rastmoment (wenn ein Schrittmotor schon unerwünscht ist, wird der 
Widerstand des Getriebes eine Modellbauservos auch nicht Gefallen...)
- Drehmomente für die verschiedenen Modi, incl. "Anschlag"
- Max. Baugröße
- Max. Kosten

Wenn es auf Kosten, Gewicht, Baugröße und Stromverbrauch nicht ankommt, 
würde ich einen Servomotor aus der industriellen Automatisierungstechnik 
nehmen, incl. der entsprechenden Reglung (keinen Modellbauservo!). Das 
sind hochdynamische Antriebe, mit denen sich die Aufgabe sicher, 
zuverlässig und langlebig erfüllen läßt. Damit sich der Hebel leicht 
bewegen läßt, würde ich eher einen größeren Motor und maximal ein 
einstufiges Getriebe nehmen, z.B. einen Zahnriemen.
Die Sensorik ist damit auch bereits erschlagen. Der Motor hat ja eh 
einen hochauflösenden Encoder, und die Kraft auf dem Hebel läßt sich aus 
den Regelgrößen ableiten...

von Max D. (max_d)


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Irgendwie werden hier Servos als schrottige Mist-Artikel angesehen.
Gegenbeispiel: 
http://www.hobbyking.com/hobbyking/store/__66990__Goteck_HB2411T_HV_Digital_Brushless_MG_Metal_Cased_Car_Servo_35g_5_5kg_0_05sec.html

5,5 kg Stellkraft (Bei einem kürzeren Hebel locker genug)
0,05 s/60° => schnell genug

Wenn die Kraft nicht reicht gibt es größere:
http://www.hobbyking.com/hobbyking/store/uh_viewItem.asp?idProduct=42280 
(dann allerdings nicht ganz preiswert, weil kleine Stückzahlen)

Der andere Kritikpunkt an den Servos (das "Rastmoment") ist im Betrieb 
total irrelevant, weil man (durch den vorhandenen Kraftsensor) die 
Servoposition ja aktiv wegbewegen kann wenn der Nutzer an dem Hebel 
rumfummelt, damit merkt der Nutzer garnicht, dass der Servo eigtl. 
schwerer zu bewegen wäre, der Servo ist schon "aus dem Weg" bevor der 
Nutzer entsprechend Kraft auf den Hebel aufgewendet hat.
Die möglicherweise suboptimale Lebensdauer dürfte bei einem 
"proof-of-concept" eher nicht so ins Gewicht fallen...

von Marcus H. (Firma: www.harerod.de) (lungfish) Benutzerseite


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Max D. schrieb:
http://www.hobbyking.com/hobbyking/store/__66990__Goteck_HB2411T_HV_Digital_Brushless_MG_Metal_Cased_Car_Servo_35g_5_5kg_0_05sec.html
>
> 5,5 kg Stellkraft (Bei einem kürzeren Hebel locker genug)
> 0,05 s/60° => schnell genug
Max - ich bin ja voll bei Dir, aber "Stellkraft in kg" und auf der 
Website Drehmoment in Kilogramm - das tut schon fast körperlich weh.

Zum Glück kann man den Aufkleber auf dem Servo lesen
Drehmoment 4,5kg*cm
Geschwindigkeit 0,065s/V

Das reicht zwar immer noch dafür, dass sich mir die Zehennägel 
aufrollen, aber zumindest kann man erahnen, was gemeint ist.

Deutlich schwächer als mein Vorschlag, dafür viel leichter und kleiner.

von Max D. (max_d)


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Bei Servos kenne ich eigtl. nur die Angabe in "kg-Stellkraft", ich denke 
mal das wird daran liegen, dass auch nicht-Ingenieuere sich unter "5kg 
Stellkraft" was vorstellen können und durch den mitgelieferten Hebelarm 
ist der wirkende Hebel ohnehin auf ~1 cm festegelegt (je nach genauer 
Auslegung natürlich plus/minus).

Ich denke es würde allgemein ziemlich helfen wenn der TO mal grobe 
Angaben zu den mechanischen Dimensionen macht. Ich hatte erstmal das 
Bild von einem kleinen Hebel mit einstelligen cm Länge vor Augen, aber 
andere hier klingen eher so als wäre der Hebel mehrere zig cm Lang....

von Klaus P. (Gast)


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Gerhard schrieb:
> Hallo,
>
> für einen Proof-of-Concept-Prototypen möchte ich einen Schubhebel
> (ähnlich wie im Flugzeug) bauen, der sich je nach Wunsch "anfühlt" - da
> fehlen mir die passenden Vokabeln. Vielleicht "force feedback"?

Für ein proof-of-concept würde ich mir eine elektrische Lenksäule vom 
Auto-Altteilehändler holen. Da ist die Mechnik komplett mit Motor und 
Getriebe vorhanden, und um die maximalen Kräfte brauchst du dir keine 
Gedanken zu machen.

von Stefan (Gast)


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Hallo,
Vielleicht hilft dir das weiter:
http://hackaday.com/2016/04/22/intelliservo/
Hab' ich gerade zufällig gefunden.
Lg
Stefan

von Markus H. (haniham) Benutzerseite


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Wie wäre es mit einem poti mit elektrischer motorischer Verstellung
An Gewissen Punkten kann der Motor dann ein Drehmoment erzeugen und so 
die Rasten Simulieren

von Marcus H. (Firma: www.harerod.de) (lungfish) Benutzerseite


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Stefan schrieb:
> http://hackaday.com/2016/04/22/intelliservo/
> Hab' ich gerade zufällig gefunden.

100 Punkte, Dankeschön für den Link. Das treibt meinen beschriebenen 
Ansatz konsequent weiter. Das wird ein Schubladenthema, falls ich mich 
mal langweile - oder jemand von mir einen "proof of concept" haben will.

von S.Siebenhaar (Gast)


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Ich würde mich der Fraktion der Schrittmotorbremser anschließen.

Damit man weiß, wo man ist, könnte ein 08/15 Poti (notfalls ein 
Mehrgangpoti) herhalten.
Oberhalb von 50 Cent überleben die jede normale Mechanik.

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