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Ein Omni-Rad ist ein Antriebsrad mit quer stehenden Rollen.
Man kann es seitlich auf dem Untergrund verschieben.
Roboter auf Omni-Rädern können sich wesentlich freier bewegen.
Sie können in jede Richtung fahren oder auf der Stelle drehen
oder beides gleichzeitig –
viele Teams beim RoboCup Junior Soccer benutzen diese Technik schon ausgiebig.
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Allerdings gibt es nicht für jedes Roboter-Baukastensystem die passenden
Omni-Räder frei zu kaufen. Deshalb habe ich im 3D-Designprogramm
OpenSCAD
eine Bauteilbibliothek für Omni-Räder geschrieben.
Mithilfe dieser Bibliothek kann man sich die Abmessungen der Omni-Räder
genau auf die eigenen Bedürfnisse zuschneiden.
Weiter unten auf dieser Seite habe ich einige Beispiele fertig durchgerechnet zum Herunterladen.
Weil man unheimlich viele Parameter bei der Konstruktion verändern kann,
enthalten die Dateinamen der STL-Dateien gleich die wichtigsten Informationen.
Die STL-Dateien sind ziemlich groß, deshalb habe ich sie alle als ZIP-Archiv gepackt.
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Radnaben
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Zur Zeit habe ich sechs verschiedene Typen von Radnaben definiert.
Nicht alle Kombinationen von Rädern und Naben ergeben einen Sinn,
deshalb gibt es nicht jede mögliche Kombination als STL-Datei.
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Omni-Rad Typ 1 mit dünnen Scheiben
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Dieses Rad beansprucht am wenigsten Platz auf eurem Roboter. Die Radscheibe
selbst ist nur 5.6 mm dick, also ist der Durchmesser der quer eingesetzten Scheiben
maßgeblich für den Platzbedarf.
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Die kleinen quer liegenden Scheiben kann man sich selbst drucken,
oder man nimmt sich das, was sich in der Schublade
findet, z.B. die Rollen von Gardinengleitern.
Je nachdem, welche Scheiben ihr verwenden wollt, muss vielleicht
noch einmal das 3D-Modell mit den Abmessungen eurer Scheiben
oder mit dem Durchmesser eures Drahts neu berechnet werden.
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Die Scheiben werden mit einem Draht an der Außenkante des Rades aufgefädelt.
Die Enden des Drahtes werden mit dem Innenteil einer Lüsterklemme festgehalten,
damit er unter (mechanischer) Spannung bleibt.
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Sucht euch die passende Größe von Lüsterklemmen heraus, damit das Innenteil in die
Aussparung der Omni-Räder passt. Die Breite der Klemme sollte 4.5 mm nicht überschreiten.
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Zuerst wird ein Ende des Drahtes festgeklemmt, dann fädelt man die Rollen auf.
Danach wird der Draht in die umlaufende Nut des Rades eingelegt.
Hierbei müssen gleich alle Rollen in ihre richtige Position gebracht werden.
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Wenn alle Rollen in der richtigen Position liegen, zieht man das zweite Ende des Drahtes ein,
strafft den Draht und dabei klemmt ihn ebenfalls fest.
Überstehende Drahtenden sollte man abkneifen, damit sich später im Einsatz nichts darin verhakt.
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Diese STL-Dateien habe ich schon vorbereitet mit den folgenden Einstellungen:
- Raddurchmesser 60 mm + Drahtdurchmesser
- Dicke der Radscheibe: 5.6 mm
- Durchmesser der Motorwelle: 4.0 mm oder 6.0 mm
- 18 quer liegende Scheiben à 6 x 2 mm oder
- 16 quer liegende Scheiben à 8 x 3.0 mm oder 8 x 3.2 mm
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Die Scheiben für Rad 1:
Typ |
Draht 0.9 mm |
Draht 1.0 mm |
Draht 1.2 mm |
Scheibe 6 x 2 mm, glatt |
STL |
STL |
STL |
Scheibe 6 x 2 mm, gezahnt |
STL |
STL |
STL |
Die gezahnten Scheiben haben die Tendenz, sich im Rad zu verhaken
(obwohl ich die Zähne ein kleines Stück nach innen versetzt habe)
– dann rollen sie nicht mehr so leicht ab und die Funktion
des Omni-Rads als Ganzes ist nicht mehr gegeben.
Zur Abhilfe sollte man doch lieber die glatten Rollen aus Gardinengleitern
verwenden (bevorzugt in Metallausführung).
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Omni-Rad Typ 2 mit Kugeln
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Dieses Rad ist nicht unbedingt sinnvoll, aber trotzdem möglich.
Vielleicht findet man in der Schublade keine kleinen Scheiben,
aber stattdessen kugelförmige Perlen. Die kann man genauso gut
auf dem Draht auffädeln.
Es passen nicht ganz so viele Kugeln auf den Radkranz, deshalb ist
der Fahrstil eures Roboters vielleicht etwas holprig.
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Lackierte Holzperlen haben möglicherweise nicht besonders
guten Grip auf dem Untergrund, machen optisch allerdings einen
besseren Eindruck.
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Für diese Perlen braucht man einen Draht mit 2 mm Durchmesser.
Ich habe Aluminiumdraht verwendet, weil sich härtere Metalldrähte
bei dieser Stärke nicht so gut in die richtige Form biegen lassen.
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Diese STL-Dateien habe ich schon vorbereitet mit den folgenden Einstellungen:
- Raddurchmesser 60 mm + Drahtdurchmesser
- Dicke der Radscheibe: 5.6 mm
- Durchmesser der Motorwelle: 4.0 mm oder 6.0 mm
- 12 Kugeln in verschiedenen Größen
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Omni-Rad Typ 3 mit längs gestellten Walzen und gesteckten Achsen
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Dieses Rad (und auch die weiter unten folgenden Typen) sollte man am besten
im Zweierpack verwenden, weil zwischen den Walzen auf der Radscheibe recht
große Lücken frei bleiben.
Dadurch werden die Räder allerdings auch deutlich breiter und auf
eurem Roboter ist weniger Platz für die Motoren.
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Es soll immer eine Innenseite und eine Außenseite mit M3-Schrauben
zusammengeschraubt werden. Es müssen nicht unbedingt alle 12 Querlöcher
mit Schrauben versehen werden – probiert selbst aus, wann die nötige
Festigkeit erreicht ist.
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Wenn an der Innenseite eine Nabe 1 oder Nabe 3 schon ausreichend Klemmwirkung
auf der Motorachse hat, kann man für das äußere Rad Nabe 0 verwenden.
Das zentrale Loch gibt dann trotzdem noch Führung auf der Motorachse.
Als Steckachse für die Walzen kann man abgesägte Stahlnägel verwenden,
oder man nimmt die präzisen hochglanzpolierten Achsen aus alten PC-Diskettenlaufwerken.
Nägel sind leichter in größerer Menge zu beschaffen – schließlich
braucht man 36 Steckachsen in der gleichen Größe für einen kompletten Radsatz.
Nach dem Einstecken kann man die Achsen auf beiden Seiten
mit einem Tropfen Sekundenkleber im Rad fixieren.
Die Walzen müssen sich trotzdem frei bewegen können!
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Diese STL-Dateien habe ich schon vorbereitet mit den folgenden Einstellungen:
- Raddurchmesser 60 mm
- Gesamtdicke des Rads: 14.2 mm
- Durchmesser der Motorwelle: 4.0 mm oder 6.0 mm
- Durchmesser der Steckachsen in den Walzen: 1.4 / 2.1 / 2.5 mm
- 2 x 6 Walzen
- Wölbung der Walzen: 62 mm
- Durchmesser der Walzen: 9.5 mm
- Breite der Walzen: 20 mm
Die Walzen für Rad 3:
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Omni-Rad Typ 4 mit längs gestellten Walzen und geschraubten Achsen
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Dieses Rad ist im Prinzip das Gleiche wie Rad 3
– mit dem Unterschied, dass die Achsen der Walzen auch geschraubt werden.
Dadurch braucht man auf beiden Seiten der Walzen mehr Platz für die Montage,
und es passen nur noch 5 Walzen auf das Rad.
Speziell bei den Walzen soll man Stoppmuttern verwenden
(ja – die gibt's tatsächlich schon in Größe M3),
weil man die Schrauben nicht stramm bis zum festen Sitz anziehen kann.
Dabei hätten die Walzen keine Bewegungsfreiheit mehr.
Und ganz nebenbei sind die 3D-gedruckten Teile meistens auch nicht stabil
genug – sie würden bei zu starkem Anziehen der Schrauben brechen.
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Diese STL-Dateien habe ich schon vorbereitet mit den folgenden Einstellungen:
- Raddurchmesser 67 mm
- Gesamtdicke des Rads: 19.3 mm
- Durchmesser der Motorwelle: 4.0 mm oder 6.0 mm
- Achsen für die Walzen: Zylinderkopfschraube M3x25 mit Stoppmutter M3
- 2 x 5 Walzen
- Wölbung der Walzen: 67 mm
- Durchmesser der Walzen: 14 mm
- Breite der Walzen: 20 mm
Die Walzen für Rad 4:
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Omni-Rad Typ 5 und 6 mit schräg gestellten Walzen und geschraubten Achsen
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Diese Walzen sind gedacht für rechteckige Roboterplattformen
mit vier Rädern. Es sollen jeweils zwei Räder mit entgegengesetzt
schrägen Walzen verbaut werden.
Eine ausführliche Beschreibung des Prinzips kann man in der
Wikipedia nachlesen.
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Jedes Rad besteht aus 62 Teilen, da kommt schon einges an Gewicht zusammen:
- 2 Radscheiben (30 g)
- 12 Walzen (23 g)
- 12 Zylinkerkopfschrauben M3 x 30 (19 g)
- 12 Zylinderkopfschrauben M3 x 25 (17 g)
- 24 Stoppmuttern M3 (12 g)
Die Kunststoffteile wiegen zusammen 53 g, die Schrauben 46 g
– das ergibt für ein komplettes Rad schon fast 100 g.
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Wie ich oben bei Rad 3 schon geschrieben habe, kann man bei den Schrauben,
die die beiden Radscheiben zusammenhalten (M3 x 25), etwas an Gewicht sparen.
Wenn man 6, 4 oder sogar nur 3 Schrauben nimmt, verringert sich das Gewicht entsprechend.
Man muss nur darauf achten, dass sich die zwei Radscheiben nicht gegeneinander verdrehen,
wenn man die schrägen Achsen der Walzen festschraubt.
Von den langen Schrauben (M3 x 30) braucht man trotzdem alle zwölf, weil sie
als Achsen der Walzen gebraucht werden.
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Die Räder sollen kreuzweise montiert werden – so,
dass entweder die Achsen aller Walzen (dort, wo sie den Boden berühren)
zur Mitte des Roboters zeigen oder dass alle im Kreis angeordnet sind.
Mein eigener Prototyp befolgt dieses Prinzip nicht ganz perfekt.
Ich hatte zu Hause gerade keine andere Plexiglas-Platte herumliegen.
Im Idealfall sollen sich die Achsen aller Walzen im Mittelpunkt des Roboters überschneiden.
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Diese STL-Dateien habe ich schon vorbereitet mit den folgenden Einstellungen:
- Raddurchmesser 85 mm
- Gesamtdicke des Rads: 25.5 mm
- Durchmesser der Motorwelle: 4.0 mm oder 6.0 mm
- 2 x 12 Walzen
- Wölbung der Walzen: 100 mm
- Durchmesser der Walzen: 13 mm
- Breite der Walzen: 24 mm
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Die Walzen für Rad 5 + 6 habe ich für 3 verschiedene Innendurchmesser definiert.
Je nachdem, wie euer 3D-Drucker eingestellt ist, kann die eine oder die andere Größe besser passen.
Die Walzen sollen auf der Achse nicht klappern, aber sie sollen mit wenig Reibung frei laufen können.
Notfalls könnt ihr die fertig gedruckten Walzen zur Sicherheit auch noch einmal innen mit einem 3.1 mm Bohrer
aufbohren.
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... und wenn das alles nicht reicht?
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Wenn die vorgefertigten STL-Dateien oben
nicht zu euren Bedürfnissen passen
(oder zu den Bedürfnissen eures Roboters),
dann könnt ihr in meiner
OpenSCAD-Datei
verschiedene Parameter anpassen
und eigene STL-Dateien erzeugen.
Oder ihr schreibt mir (eMail-Adresse siehe am unteren Rand dieser Seite)
und ich entwerfe euch die passenden Räder.
Wenn ich die Zeit dafür habe.
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