Hexapod – Wir werden besser

Der erste Ansatz hat ja einige Probleme mit sich gebracht und leider doch wieder einige Anpassungen notwendig gemacht. Neben der Schüttellähmung bei den Drehservos ist leider auch immer wieder die Servoansteuerung ganz ausgestiegen und die Bewegung wurde nie flüssig. Inzwischen sind wir hier weiter und ein neuer Artikel ist fällig.

Projekt: Hexapod 12 DOF

Kontakt: Boris Dirnfeldner

Link– eigenes Projekt –

Nachdem die Software eine gewisse Reife hatte, sind trotzdem einige Dinge nicht durch simples Parametertunen zu lösen gewesen.

Das große Zittern
Ein wirklich blödes Verhalten war das ständige Gezittere bei den Drehservos. Die Plastikgetriebe (ok, Nylon) sind zwar ok und sehr günstig, da aber dann doch überfordert. Nur mit anziehen der Schrauben wurde es zwar etwas besser, am Ende aber immer noch ein Problem oder die Gelenke nicht mehr zu bewegen. Da ich inzwischen Servos mit Metallgetriebe habe (MG90), wurden die 6 Drehservos kurzerhand getauscht. Die MG90 sind hier um Welten besser und bieten kaum Spiel. Damit war das Aufschaukeln weg und die Bewegungen im Vergleich sehr gut kontrollierbar. Kraft war hier ohnehin nie ein Thema, lediglich die Lautstärke ist etwas höher. Die Hebeservos waren hier problemlos, daher bleiben die erst mal drin.

Plötzlicher Kontrollverlust
Ein richtig nerviges Ding war, das immer wieder und plötzlich alle Servos kraftlos wurden. Im Code war das nicht zu begründen, schien sich aber bei komplexeren Bewegungen aller Servos zu häufen. Danach war das System nur durch Neustart mit Powercycle wieder zur Kooperation bewegen. Der ESP hat dabei aber immer fröhlich weiter gemacht, nur hat es die Servos nicht mehr interessiert. Nach etwas Fehlersuche schien der I2C-Bus, über den der PCA9685 angeschlossen ist, die Grätsche zu machen. Nach etwas Netzrecherche scheint es wohl Probleme mit dem ESP32 zu geben, wenn zeitgleich die serielle Schnittstelle und der I2C-Bus am Werkeln sind. Keine Ahnung ob das nun wirklich so stimmt, bleiben konnte es so nicht. Da das Gamepad zwingend eine serielle Verbindung braucht, muss dann halt der Servocontroller weichen. Der zickte ja auch beim Einschalten rum (harte Ausschläge der Beine beim Initialisieren der Lib) und sollte in einer späteren Version auch ersetzt werden, daher gleich weg damit.
Der ESP triggert nun direkt per I/O die PWM-Eingänge der Servos. Damit das einigermaßen ordentlich funktioniert, musste auch schon mal eine erste Version einer Stromverteilerplatine dazu, die sowohl Servokabel, Strom als auch Signale zusammenbringt. War auch erst später geplant, aber was solls. Die erste Version ist leider wieder löttechnischer Pfusch, tut aber erst mal. Für das nächste Modell muss das aber nochmal und richtig gemacht werden.

Grenzen des PWM
Da nun der Servocontroller in den ESP gewandert ist, muss nun auch eine passende Lib dafür her. Die gibt es zuhauf und verwenden (fast alle) das eingebaute PWM-Modul. Leider hat der ESP32 damit “nur” 16 unabhängige Kanäle, damit für das spätere 18DOF-Modell Zuwenig. Wenn ich aber schon umbauen muss, dann auch so dass die Lösung nachher auch weiterverwendet werden kann. Bei der Suche nach einer Lösung ist mir eine Library untergekommen, die mit einem Timer und Interrupt arbeitet und (mit kleinen Anpassungen und auch gemäß der Meinung des Entwicklers) auch deutlich mehr Servos verkraftet (Link). Mit etwas Try&Error und der Verteilerplatine hat sich tatsächlich eine stabile Lösung zur Servoansteuerung gefunden, die auch mit den geplanten 18 Servos klarkommen sollte. Die Ansteuerung haut auch nicht unkontrollierte Bewegungen raus wie beim Servocontroller. Im Code ist der Umstieg relativ schnell getan, und bis auf kleine Anpassung der Parameter in der Berechnung und Initialisierung funktionierte es auch fast Out-of-the-box. Leider hatte der Ansatz mit dem Timer Anfangs auch Probleme gemacht, da auch der Scheduler so arbeitet und der Überwachungsthread hier mit der Servolib den gleichen Timer verwenden wollte. Nachdem das klar war auch kein Problem, zumal ich die Überwachung in dieser Lösung eh nicht brauche.

Ruckelnde Bewegungen
Eigentlich war ja die Bewegungssteuerung für mich das interessante an diesem Projekt. Umso ärgerlicher war es, dass ich es bisher nicht geschafft hatte eine flüssige Bewegung ohne ruckeln zu bekommen. Entweder die Servos auf Vollgas laufen lassen (und damit zu schnell) oder ruckeln. Zwar wurde das Ruckeln immer formvollendeter, aber es blieb dabei. Nachdem mit den ganzen Änderungen zumindest ein stabiles System erreicht worden ist, ging es also wieder an die Steuerung. Eigentlich war es klar, dass die Steuerung nicht schnell genug durch die Regelschleifen kommt und dadurch ruckelt. Normalerweise sollte durch Anpassen der Scheduler-Konfiguration das leicht anzupassen sein, aber irgendwie brauchte der Code einfach zu lange. Der ARM-Kern sollte aber locker genug Leistung haben, zumal vergleichbares auch schon mit 8-Bit ATMEL-CPUs gemacht worden ist. Irgendwann (eher durch Zufall) hatte ich plötzlich eine saubere, ruckelfreie Bewegung, und zwar einfach durch Abschalten der Debug-Meldungen. Tatsächlich bremsen die Debug-Meldungen am seriellen Bus das System derart aus, das alle anderen Parameter schlicht nicht mehr zum Tragen gekommen sind. Nachdem das klar war, ging es in Riesenschritten zu im Vergleich schon sehr guten Bewegungen.

Der macht was er will
Ein letztes Thema ist aber immer noch, dass immer wieder das System eigenwillig in die Ruhelage steuert (egal was ich am Gamepad mache). Hier hatte ich vorher noch die Hardware oder die Servos im Verdacht, tatsächlich ist es aber ein Standardverhalten des Dongles für den PS2-Controller, wenn die Verbindung abbricht. Das System bekommt das nicht mit (der Dongle verhält sich wie ein Gamepad ohne Input), lediglich der Controller selbst blinkt dann als Hinweis auf den Verbindungsverlust. Es scheint, als on der Dongle nicht zu nah am ESP sein darf, weil sonst die Verbindung abbricht. Naja, auch nicht unmöglich zu lösen, wenn man es weiß.

Fazit:
Natürlich ist das Teil immer noch eine Bastelei. Allerdings sind viele der Anpassungen, die erst fürs nächste Modell geplant waren bereits umgesetzt und wieder neues dazu gelernt worden.
Die Steuerung macht schon richtig Laune, und im Übermut konnte ich sogar kleine Hopser mit dem Teil fabrizieren. Jetzt geht es aber zurück an die eigentliche Aufgabe, nämlich dem Teil endlich das Gehen beizubringen (soweit halt möglich mit den eingeschränkten Freiheitsgraden).

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Hexapod – wir lernen laufen

Die Hausspinne hat inzwischen Fortschritte gemacht, genug um den neuen Stand in einem Text zu beschreiben. Verbesserungen im Steuerprogramm, neue Schnittstellen und ein Gamepad als Eingabegerät machen die weitere Entwicklung einfacher und auch mehr Spaß.

Projekt: Hexapod 12 DOF

Kontakt: Boris Dirnfeldner

Link– eigenes Projekt –

Die Hausspinne basiert ja auf einem fertigen Design (beim Druckmodell) und eigener Software. Nach den ersten Versuchen haben sich schnell auch erste Defizite gezeigt und die Detailprobleme, die das vorhandene Konzept hat.

Änderungen und Verbesserungen Mechanik/Elektronik:
Das Thema Schüttellähmung hat sich mit besser angezogenen Schrauben vermindert, wenn auch nicht gelöst. Hier sind wohl bessere Dämpfungslösungen im Design erforderlich oder eine andere Form der Kraftübertragung von den Servos, das ist aber für die “Lernversion” nicht mehr relevant. Leider hilft das Festschrauben auch nicht beliebig, weil irgendwann die Servos nicht mehr gegen die Reibung ankommen.
Bei der Stromversorgung hat sich der Ansatz mit dem 18650-Shield nicht bewährt. Der hat einfach nicht genügend Saft um schnelle und komplexe Bewegungen mit ausreichend Strom zu unterstützen und schaltet immer wieder wegen der Überlastung ab. Hier wurde nun auf Modellbau-Komponenten umgestellt, mit einem 3S Lipo, einem Festspannungs-SBEC und entsprechenden Kabeln/Steckern. Damit sollte für das Modell die Stromversorgung geklärt sein.
Den Arduino UNO hatte ich ja bald schon ersetzt durch einen ESP32, der neben deutlich großzügigeren Speicherbedingungen auch mehr Prozessorleistung bietet. Mit jeder Software-Erweiterung sieht man aber den erhöhten Bedarf, so dass der Umstieg ohnehin zeitnah notwendig gewesen wäre.
Neu ist die Anbindung eines PS2-Controllers per Funkdongle. Das Teil hatte ich schon mal in Verwendung, zumindest die Hardware war also wenig problematisch.
Da für die Version damit die Hardware definiert und ausgereizt ist, wird es wohl noch angepasste Druckteile geben um den Ausbau auch sicher zu befestigen.

Software:
Hier wird am meisten gearbeitet und hier gibt es auch am meisten zu tun.
Zum einen werden die Gelenkservos nun mit 50Hz angesteuert und laufen damit weniger hakelig als vorher. Die Steuerung des Gesamtsystems hat nun einen eigenen “Steuerungs-Thread” und ist damit auch für komplexere Ansteuerung gerüstet. Die Bewegungssequenzen sind nun auch präziser, da nicht mehr jedes Gelenk einzeln angesteuert wird, sondern alle Servos zusammen (und fast zeitgleich) aktualisiert werden. Dadurch wird auch der erforderliche Code für die Bewegungen kürzer und übersichtlicher. Die einzelnen Gelenke laufen auch jeweils in kleinen “Threads” und interpolieren die geforderte Bewegung in der gewünschten Geschwindigkeit (allerdings bisher noch linear).
Über die Kommandozeile ist es nun auch möglich Kommandos auf Gelenkebene und für das Gesamtsystem direkt per USB-Verbindung einzuspeisen und sich so komfortabler an mögliche Bewegungen ranzutasten. Ohne Try&Error geht da fast nichts, zumal nicht jede Bewegung theoretisch sicher abgeschätzt werden kann.
Auch muss ich so nicht mehr jeden Versuch erst mal als Programm neu übertragen, was auf Dauer auch das Flash ausnudelt.
Da die Kommandozeile auf Dauer auch keine Laune macht, vor allen nicht wenn es um Timing-Fragen geht, ist nun ein PS2-Spielecontroller mit Funkverbindung im System. Eigentlich ein bekannter Kandidat, allerdings nur auf den Arduinos. Mit dem ESP32 gab es einige hakelige Punkte die erst mal (in der Library) angepasst werden musste. Nach ein paar Stunden Fluchen, Suchen, Umstecken und weiteren Fluchen macht das Teil endlich wieder was es soll. Aber so richtig Lustig war das nicht, zumal ich da keine derartigen Probleme erwartet hatte.
Aktuell ist der Fokus der Entwicklung also in den Bewegungen des Systems und den Übergängen zwischen Kommandos. Auch wird alles für ein 18DOF Modell vorbereitet um hier die Anpassungen übersichtlich zu halten. Je mehr ausprobiert wird, desto öfter finden sich auch kleine Bugs die natürlich auch rausgearbeitet werden.

Mit dem Gamepad hat nun auch der Sohnemann den ersten Kontakt mit dem neuen Stubenmitglied und schon (für den geringen Funktionsumfang) viel Spaß. Hier noch ein kurzes Video mit den ersten Versuchen mit Gamepad und Lipo nach Umbau:

Planspiele NextGen:
Mit den Erfahrungen gibt es natürlich auch den Wunsch nach Verbesserung. Am aktuellen Modell wird nicht mehr viel geschraubt, und die fehlenden Freiheitsgrade sind nicht auszugleichen.
Nebenher wird also die neue Generation schon mitentworfen. Folgende Rahmenbedingungen zeichnen sich bereits ab:

  • Das Basisdesign orientiert sich an einem Nachbau des bekannten PhantomX AX von Trossen Robotics. Um die Kosten im Rahmen zu halten, wird dort mit MG996R Digitalservos gearbeitet. Scheinbar kraftvoll genug, 18DOF, kugelgelagerten Gelenken, einem geeigneteren rechteckigen Layout und genügend Platz alles drauf zu montieren. Der Grundaufbau mit kleinem Akku sollte mit ca. 200€ Materialkosten möglich sein.
  • Die Ansteuerung der Servos wird direkt vom Controller erfolgen anstatt über den bisher verwendeten PCA9685. Zum einen ist der I2C-Bus ein potentieller Flaschenhals bei schneller Ansteuerung aller Servos, zum anderen möchte ich bessere Kontrolle über die Ansteuerung bekommen. Der ESP32 hat hierfür genügend I/Os, sollte also passen.
  • Die Stromversorgung wird ähnlich ausgeführt, benötigt aber einen leistungsfähigeren SBEC. Eine Version mit 20A sollte normalerweise genügen und ist bestellt. Der könnte dann auch mit leistungsfähigeren Lipos umgehen, falls notwendig.
  • Die Fernsteuerung per PS2-Controller bleibt. Je mehr die Software bietet, desto höher ist der Nutzen einer solchen Steuerung.
  • Die Software sollte sich nahtlos umstellen lassen, natürlich mit einigem an Feintuning. Durch die zusätzlichen Freiheitsgrade sollte es aber speziell bei Bewegungen in eine Richtung wesentlich flüssiger und ohne das ausgeprägte Gerutsche laufen.
  • Ein Feedback über die Gelenkpositionen wäre wichtig, aber noch ungelöst. Eine Option wäre ein Rückkanal über Potis, dafür fehlen dem ESP aber die benötigten Eingänge. Eine Idee sind hier Analogmultiplexer, aber das muss sich erst noch zeigen.
  • Auch wäre es sinnvoll, an den Beinspitzen ein Feedback für Kontakt zu bekommen. Das geht z.B. mit Mikroschaltern oder über Drucksensoren. Auch hier ist es noch nicht klar wohin die Reise geht.

Natürlich gibt es Tonnen an weiteren Ideen und erforderlichen zusätzlichen Arbeiten, aber auch hier ist die Basisplattform erst mal das wichtigste.

Fazit:
Es bleibt also spannend und weiterhin viel zu tun. Es zeigt sich aber, dass es in die richtige Richtung geht und die Ergebnisse werden mit jedem Versuch besser. Das NextGen-Projekt wird aber auch erst 2021 starten und dann vermutlich auch einige Zeit brauchen, zumal ich dann hoffentlich auch wieder in regulären (Brot&Butter-) Projekten zu tun habe.

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