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FH-OÖ/Hagenberg —
HSSE
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ESD
Markus Pfaff c 20. September 2007, SVN: 200
Hexapod-Roboter „Captain Ahab"
http://www.hexapod.at
Captain Ahab — Bau-/Mechanikhandbuch
Version für Steuerplatine SandboxS 2
„Captain Ahab" ist ein Hexapod-Roboter — ein Laufroboter mit sechs Beinen. Er ist Teil eines offenen Projektes der
Studiengänge Hardware/Software Systems Engineering —
HSSE
— und Embedded Systems Design —
ESD
— an der
FH-OÖ/Hagenberg. Die Bauanleitung ist frei zugänglich und der Lasercut-Teilesatz wird zum Selbstkostenpreis abgege-
ben (Anfragen richten Sie bitte an hexapod<AT>fh-hagenberg.at, Anti-Spam: bitte <AT> durch @ ersetzen). Weitere
offene Projekte von HSSE finden sich unter http://www.sandbox.at.
Bei der Konstruktion von „Captain Ahab" galt es, zwei widersprüchliche Forderungen. . .
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Nutzungsbedingungen Die Konstruktion von „Captain Ahab", die Gestaltung der Fräsbögen und -teile, alle Abbildungen, Konstruktionszeichnungen, Fotos und der
Text dieser Beschreibung stehen unter dem Copyright des Autors, das dessen Privateigentum darstellt. Ihre weltweite Nutzung zu nichtkommerziellen Zwecken innerhalb
der Ausbildung (in Schulen und ähnlichen Ausbildungsstätten ebenso wie im Ausbildungsbereich von Firmen) und im Privatbereich wird bis auf (auch in Einzelfällen
möglichen) Widerruf gestattet. Bei solcher Nutzung ist an einer, z.B. für Zuschauer einer Veranstaltung gut sichtbaren Stelle auf den Ursprung von „Captain Ahab" hin-
zuweisen. Im Einzelnen besteht dieser Hinweis aus dem Logo der FH-OÖ, den Schriftzügen „HSSE" und „ESD" als Hinweis auf die Studiengänge und dem Schriftzug
„WWW.HEXAPOD.AT". Unterhält der Nutzer (Schule, Firma, Privatperson) WWW-Seiten, so ist ein Link auf
dort vorzusehen. Eine kommerzielle
www.hexapod.at
Nutzung ist allein mit schriftlicher Genehmigung und Lizenz des Autors statthaft.
Haftungsausschluss Bitte beachten Sie, dass die Ausführung sämtlicher Anweisungen in dieser Anleitung Ihrem eigenen Risiko obliegen. „Captain Ahab" stellt
kein Produkt dar! Es handelt sich insofern lediglich um Empfehlungen, die zwar weitgehend erprobt, aber möglicherweise nicht fehlerfrei sind. Alle Anweisun-
gen richten sich ausschließlich an vollrechtsfähige Personen (die demnach auch im Sinne des Gesetzes erwachsen sein müssen). Sollen Anweisungen in die-
ser Anleitung von anderen als solchen Personen ausgeführt werden, so sollte dies nur unter Aufsicht einer fachkundigen und vollrechtsfähigen Person gesche-
hen, welche diese Aufsicht auszuüben berechtigt ist. Weder der Autor, noch die FH-Oberösterreich Studienbetriebsgesellschaft übernehmen eine Haftung für Schä-
den, die durch Befolgung oder auch Nichtbefolgung dieser Anweisung entstehen. Ebensowenig wird eine Haftung für Schäden im Zusammenhang mit dem
Betrieb des in dieser Anleitung beschriebenen Hexapodroboters übernommen. Für den Inhalt verlinkter WWW-Seiten und den Inhalt von empfohlener Litera-
tur wird keine Verantwortung übernommen. Sollten solche Seiten im Laufe der Zeit problematische Inhalte bekommen, sind wir für einen Hinweis dankbar.
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Inhaltsverzeichnis
Inhaltszusammenfassung für FH Oberösterreich Captain Ahab
- Seite 1 Ausbildung (in Schulen und ähnlichen Ausbildungsstätten ebenso wie im Ausbildungsbereich von Firmen) und im Privatbereich wird bis auf (auch in Einzelfällen möglichen) Widerruf gestattet. Bei solcher Nutzung ist an einer, z.B. für Zuschauer einer Veranstaltung gut sichtbaren Stelle auf den Ursprung von „Captain Ahab“ hin- zuweisen.
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Seite 2: Inhaltsverzeichnis
..........A Die Geometrie von Captain Ahab... - Seite 3 B Servozuordnung SVN 200, 20, 2007 PFAFF EPTEMBER APTIAN ECHANIKHANDBUCH...
- Seite 4 Häufig sieht man an dieser Stelle Kugellager, die an sich auch keine hohen Kosten verursachen. Leider braucht deren Einbau jedoch Platz und muss mit sehr hoher Genauigkeit ausgeführt werden. Bei Captain Ahab wurde ein einfacherer Weg verfolgt. Der Lagerzapfen wird von einem geschliffenen Buchenrundholz mit 8 mm Durchmesser gebildet. Die Buchse der Lagerung wird vom Servoboden selbst gebildet.
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Seite 5: Notwendiges Werkzeug
Wegwerfklingen der billigsten Sorte reichen für diese Arbeit glücklicherweise vollkommen aus. 2 Die Einzelteile Der Bausatz enthält folgende Teile: Lasergeschnittener Präzisionsteilesatz bestehend aus 3 mm Pappelsperrsperrholz für – Roboter „Captain Ahab“, – Ständer hierzu, – Glashalter, – Servokalibrierzeiger und Servorahmen und eine –... -
Seite 6: Der Lasergeschnittene Teilesatz
18 geschliffene Achsdübel. Buchenrundholz, Durchmesser 7,9-8,0 mm, Länge 7,4-7,6 mm, 6 Kabelbinder, Breite 2,5 mm, 6 Gerätefüße Typ für den Hexapod, 94 (kurze) Blechschrauben 2,3 x 6,5 mm, 75 (lange) Holzschrauben ca. 2 x 15 mm 76 Unterlegscheiben für Schrauben mit 2,5 mm Durchmesser, 1 Fläschchen (ca. -
Seite 7: Die Alternative: Holzleim
4 Aufbau des Insektenbeins Der Aufbau der Beine von Captain Ahab ist demjenigen der Insekten nachempfunden, die ebenfalls sechs Beine besitzen. Spinnen und Skorpione sind dagegen genausowenig Insekten, wie Asseln und Tausendfüßler, da sie eben keine sechs Beine (und einen anderen Körperbau als Insekten) besitzen. -
Seite 8: Zusammenbau
Da die Literatur über die Bewegung von Insekten fast ausnahmslos die in der Biologie üblichen lateinischen Begriffe für die Beinglieder verwendet, wurden diese auch für Captain Ahab übernommen. Bei der „Wilden 13“ wurden noch die Begriffe Hüfte, Oberschenkel und Unterschenkel verwendet, die sich am Menschen orientieren. Allerdings haben Säugetiere einen vollkommen anderen Aufbau der Gliedmaßen als Insekten. - Seite 9 Abbildung 3: Im linken Foto wurden die Teile nicht richtig gefügt. Erst wenn sich der Zustand wie im mittleren Bild ergibt, befinden sich die Teile in der richtigen Position zueinander. Im rechten Foto sind die Folgen zu fleißigen Schleifens zu sehen. Das gleiche Bild ergibt sich, wenn das Holz sehr dünn ausfällt. Die Zinken stehen über.
- Seite 10 menstecken zu vermeiden, stellt diese Bauanleitung den Zusammenbau in einzelnen Schritten mit Fotos dar. Bitte beachten Sie unbedingt auch die Lage der Bauteilbeschriftung auf den Fotos, da die meisten Teile nicht symmetrisch aufgebaut sind! Werden die Holzteile in einer Umgebung mit hoher Luftfeuchtigkeit gelagert (z.B. im Keller), quillt das Holz auf und die Passungen werden zu eng.
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Seite 11: Bohrungslehre Für Servoböden
5.2 Bohrungslehre für Servoböden Die Bohrungslehre wird nur gebraucht, wenn handelsüb- liche Servos für den Einbau in Captain Ahab modifiziert werden sollen. Sie besteht aus den Teilen D1, D2-3 oder D2-4, welche dem Bausatz beiliegen und zwei kurzen Bu- chenrundholzdübeln mit 8 mm Durchmesser sowie einem kleinen Stück MDF-Platte, die nicht im Bausatz enthalten... -
Seite 12: Ständer-Baugruppe - S
Die Achse wird mit einem kleinen Hammer mit saugt den Klebstoff in seine Poren auf, womit im sanften Schlägen in die Bohrung der Platte ge- Gewindebereich ein wesentlich druckfesteres Mate- trieben. Der Holzrest dient als Zwischenlage zum rial als Holz entsteht: „Holzfaserverstärkter Kunst- Schutz der Achse. - Seite 13 das benachbarte Loch einstecken. Das Teil S3 muss leicht nach außen weggebogen werden. Die Be- schriftung von S3 ist wie im Bild außen. Die seitlichen Zapfen der Teile S3 ineinander schie- ben. In eines der Löcher dieses Rings wird der lange Zapfen von S3 gesteckt.
- Seite 14 Sind auch die restlichen zwei Segmente S2 aufge- setzt, sieht dies so aus. Nun wird diese HSSE-Litfassäule herumgedreht, so dass sich die Teile S2, welche den Anfang gemacht haben, oben befinden. Nun ein Segment S2 auf der Seite mit den kurzen Zapfen von S3 aufsetzen.
- Seite 15 Es folgt eine weitere Lage der Teile S1, die wieder- um versetzt aufgesteckt werden. Nun werden drei Segmente S1 so aufgesteckt, dass die Nähte des neu entstehenden S1-Segmentrings sich nicht mit denen des darunter liegenden S2- Eine dritte aus S1 gebildete Lage vervollständigt die Segmentrings decken.
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Seite 16: Korpus-Baugruppe - K
Achsen der Achsfixierplatten mittels eines Bleistiftes mit einem Graphitüberzug versehen. Oh- K3 in die obere Öffnung in K2 einstecken. ne diesen Überzug lässt sich Captain Ahab später nur schwer auf den Ständer setzen und noch schwe- rer wieder abnehmen. - Seite 17 K4 in die untere Öffnung in K2 einstecken. K5 zwischen K3 und K4 einschieben. Auf die rich- tige Lage der Bohrungen achten, die durch K3, K5 und K4 hindurchlaufen. Die Baugruppe aus den Teilen K2-K5 wird insge- samt sechsmal gebraucht. Ein zweites Teil K2 auf K3 und K4 aufstecken.
- Seite 18 Zwei Teile K6 in K7 stecken. Auf die richtige Lage der Bauteile zueinander achten! Die Baugruppe aus den Teilen K6-K7 wird insge- samt sechsmal gebraucht. Die sechs Baugruppen aus den Teilen K2-K5 in K1 einstecken. SVN 200, 20, 2007 APTIAN ECHANIKHANDBUCH PFAFF EPTEMBER...
- Seite 19 Die sechs Baugruppen aus den Teilen K6-K7 eben- falls in der gezeigten Weise in K1 einstecken. Dar- auf achten, dass die breitere Seite von K7 sich unten befindet! Nun wird die Deckplatte K8 aufgesetzt. Hierbei ge- fühlvoll und mit Geduld vorgehen. Die Platte K8 auf keinen Fall mit Gewalt auf die Zapfen der Teile K2 und K7 pressen! Stattdessen die Zapfen Baugruppe für Baugruppe (K2-K5 und K6-K7) nach und nach...
- Seite 20 Die Teile K3-K5 müssen sorgfältig miteinander und mit K2 verklebt werden. Die Teile aber nicht im Klebstoff ertränken! Die Bohrungen für die Schrau- ben sollten in diesem Schritt mit Klebstoff gefüllt werden. Dieser wird vom Holz aufgesogen und macht es im Gewindebereich der Schrauben etwas druckfester.
- Seite 21 SVN 200, 20, 2007 PFAFF EPTEMBER APTIAN ECHANIKHANDBUCH...
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Seite 22: Femur-Baugruppe - F
Je vier Teile F1s-3 bilden eine Einheit. Der fehlende zweite Teil des Servoträgers vervoll- ständigt die Korpusbaugruppe. Die Teile K9, K10 Am leichtesten fällt der exakte Zusammenbau dieser und K11 müssen sorgfältig mit den beiden Teilen Einheit, wenn man die vier Teile F1s-3 auf diese Art K2 verklebt werden. -
Seite 23: Tibia-Baugruppe - T
5.7 Tibia-Baugruppe — T Die Bauteile der Tibia-Baugruppe. Diese Teile wer- den je sechsfach benötigt. Nun T3s in T2 einstecken. T1 und T2 werden ineinander gesteckt. Unbedingt auf die Beschriftung von T2 achten! Diese muss „außen“ liegen! T4s einschieben. SVN 200, 20, 2007 PFAFF EPTEMBER... - Seite 24 Nun T6 in der gleichen Weise und ebenso sorgfältig montieren. T5 wird auf eine Vielzahl an Zapfen aufgeschoben. Das Teil darf erst aufgepresst werden, wenn alle Zapfen richtig positioniert sind. T5 kann ohne Be- schädigung der Zapfen praktisch nicht mehr von T2 entfernt werden! Mit einigen gefühlvoll ausgeführten Hammerschlä- gen kann man die Passung der Teile T2, T5 und T6...
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Seite 25: Coxa-Baugruppe - C
in einem früheren Schritt verbaut. Das wichtigste Maß ist der Abstand von T5 und T6. Dieser muss so eingestellt sein, dass das Servo sich genau zwischen die Teile schieben lässt. Dabei dar- auf achten, dass der Kragen auf der Oberseite der Servoscheibe nicht mit im Spiel ist. - Seite 26 Die Gruppe aus C1-C3 auf C4 aufstecken. C3 aufstecken. Nochmals an Hand des Fotos die korrekte Positionierung der Teile prüfen. Das Teil C5-3 hinzufügen. SVN 200, 20, 2007 APTIAN ECHANIKHANDBUCH PFAFF EPTEMBER...
- Seite 27 Wie bei der Tibia-Baugruppe ist auch bei der Coxa- Gruppe eine genaue Anpassung des richtigen Ab- stands mittels einiger gefühlvoller Hammerschläge ratsam. Im Bild ist nur das Servo für das Coxa- Femur-Gelenk gezeigt, aber dies gilt selbstverständ- lich auch für das Servo, welches das Korpus-Coxa- Gelenk bildet.
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Seite 28: Finish
6.2 Schleifen Zum Schleifen verwendet man am besten den vorbereiteten Schleifklotz, da in der freien Hand geführtes Schleifpapier sehr ungenaue Ergebnisse erbringt. 6.3 Lackierung Eine Lackierung ist stets nur so gut wie ihr Untergrund. Be- vor Sie also mit diesem Schritt beginnen, sollten Sie sich nochmals fragen, ob nicht doch noch ein Spachtel- und Schleifdurchgang notwendig sind. -
Seite 29: Servokennzeichnung
PREPARED BY JUN HEE, LEE UPDATE: APR 01, 2002 ANNOUNCED SPECIFICATION OF langes Anschlusskabel, HS-311 STANDARD SERVO Servoboden für ein Gegenlager modifizierbar. VALUE YSTEM :+PULSE WIDTH CONTROL 1500usec NEUTRAL VOLTAGE RANGE :4.8V TO 6.0V Die in den Servos eingebauten Übersetzungsgetriebe wei- :AT 4.8V AT 6.0V sen ein hohes Übersetzungsverhältnis auf. -
Seite 30: Kennzeichnung Der Servokabel
(Set) sind von 1 bis 18 durchnummeriert. Das Set ist handschriftlich eingetragen. Im Beispiel die Initialen „JB“ des Konstrukteurs von Captain Ahab gefolgt von der Ziffer „1“. Auch die Jahreszahl der Kalibrierung ist oben auf dem Aufkleber angegeben. 7.1.2 Kennzeichnung der Servokabel Für die Kennzeichnung der Servokabel direkt hinter dem... - Seite 31 wird, das für das Femur-Tibia-Gelenk gekennzeich- net ist. In den Abbildungen ist das Servo HS-322HD statt des HS- 311 zu sehen. Diese beiden Servos besitzen das gleiche Ge- häuse, so dass sich deswegen kein Unterschied ergibt. Die Servoscheibe wird soweit gegen den Uhrzeiger- sinn gedreht, bis in etwa die Stellung im Foto einge- nommen wird.
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Seite 32: Coxa-Femur-Servo
mit einer Achsfixierplatte T7 montiert. In dieser Stellung wird das Servo in die Tibia- Baugruppe geschoben und dort mit vier kurzen Die Fixierplatte wird mit einer kurzen Blechschrau- Blechschrauben unter Verwendung von M 2,5- be ohne Unterlegscheibe sanft angeschraubt. Typi- Unterlegscheiben festgeschraubt. - Seite 33 Zur Befestigung werden kurze Blechschrauben zu- sammen mit Unterlegscheiben M 2,5 eingesetzt. Die Servoscheibe wird sanft im Uhrzeigersinn bis zum mechanischen Anschlag verdreht. Dann wird die Servoscheibe abgezogen und in etwa in der ab- gebildeten Stellung aufgesetzt. Hierzu muss deren Befestigungsschraube selbstverständlich zuvor her- ausgedreht worden sein.
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Seite 34: Femur-Montage
Im Bild sind bereits alle vier langen Holzschrauben Eine kurze Blechschraube, die behutsam angezogen soweit eingeschraubt, dass ihr Schaft noch ca. 4 mm wird, sichert die Achsfixierplatte. aus der Femur-Baugruppe herausragt. 7.3.4 Femur-Montage Die vorbereiteten Femur- und Tibia-Baugruppen werden nun zusammengesetzt. Die beiden Femur- Baugruppen unterscheiden sich in der Anordnung der Schrauben. - Seite 35 Die Femur-Baugruppe hat die Nebenfunktion der Kabelführung. Das Kabel des Femur-Tibia-Servos muss hierzu in der gezeigten Form umgelegt wer- den. Das Servo wird mittels der beiden Schrauben fi- xiert. Das Kabel wird in die Aussparung der Femur- Baugruppe geführt und an das Servogehäuse ge- drückt.
- Seite 36 Nochmals aus einem anderen Blickwinkel. Die zweite vorbereitete Femur-Baugruppe ist für die andere Seite der Servos gedacht. Das Kabel des Coxa-Femur-Servos wird genauso wie zuvor beim Femur-Tibia-Servo verlegt. SVN 200, 20, 2007 APTIAN ECHANIKHANDBUCH PFAFF EPTEMBER...
- Seite 37 Um diese beiden Schrauben erreichen zu können, muss das Coxa-Femur-Servos sanft verdreht wer- den. Mit Hilfe der Femur-Baugruppe wird das Kabel fixiert. Die Flansche am Servo sind nicht exakt im rechten Winkel angespitzt, sondern in einem minimal größeren Winkel. Daher muss man die Servos leicht zusammenschieben, um die Femur- Baugruppe einsetzen zu können.
- Seite 38 zeigte Position, in der es an der Coxa-Baugruppe anschlägt, gestellt ist. Die beiden rechteckigen Öffnungen im Teil C1 die- nen zum Durchziehen eines Kabelbinders. Dieser Auch das noch frei herumbaumelnde Kabel des wird mit der Peitsche voran in die obere Öffnung Femur-Tibia-Servos muss verlegt werden.
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Seite 39: Korpus-Coxa-Servo
Das Bauteil C9 sichert das Kabel in C5-3 Auch die weiteren fünf Beine sind in der gezeigten Zunächst das Korpus-Coxa-Servo mit der Markie- Art zu vervollständigen. Jeweils unbedingt darauf achten, dass die jeweils richtigen Servos miteinan- rung für das Bein, welches nun montiert werden der kombiniert werden. -
Seite 40: Beinmontage Am Korpus
7.3.6 Beinmontage am Korpus Nun das Servo mit vier langen Holzschrauben be- Die Servoscheibe wird — sanft — im Uhrzeigersinn festigen bis zum mechanischen Anschlag verdreht. Dann zieht man die Scheibe ab und setzt sie in etwa in der gezeigten Stellung nochmals auf. Die Servoscheibe nun um eine viertel Umdrehung gegen den Uhrzeigersinn verdrehen. - Seite 41 In diesem Schritt wird die Servoscheibe dann wie- der abgenommen und in etwa wie in der Abbildung neu aufgesetzt. Es kommen wie bei den anderen Servos wieder kur- ze Blechschrauben mit Unterlegscheiben M 2,5 zum Einsatz, die wie immer nur sanft angezogen werden. Zunächst das Bein mit der richtigen Nummer her- aussuchen.
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Seite 42: Endmontage Mit Steuerelektronik Sandboxs
Der Gummifuß GF1 wird in die Tibia-Baugruppe eingeschoben und mit etwas Sekundenkleber fixiert. Die Montage der Achsfixierplatte C8 in der gewohn- ten Weise vervollständigt den Arbeitsschritt. Auf der Unterseite der SandboxS 2 werden Gummi- füße an möglichst weit außen liegenden Positionen angeklebt. - Seite 43 Die Servostecker werden entsprechend der Zuord- nung aus Abb. auf Seite bzw. Abb. auf Sei- Zwei Papieraufkleber (rote Punkte) dienen als Iso- te ?? an die SandboxS 2 angeschlossen. lierscheiben. Diese werden über die Bohrungen Die Kabel können von unten in den Korpus gezogen in der Platine geklebt und einfach mit Hilfe der werden, um den Kabelwust rund um die Platine zu Schrauben durchstochen.
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Seite 44: Der Bewegungsraum Der Beine
Darstellung des gleichen Sachverhalts in Abb. ?? auf Seite ?? hervor. 9 Der Bewegungsraum der Beine Die Beine von Captain Ahab verfügen über einen großen Bewegungsspielraum, der auf den folgenden Fotos demons- triert wird. SVN 200,... -
Seite 45: Ermittlung Der Servowinkelabweichungen
Für die Teilnahme an den Hexapod-Meisterschaften in Ha- genberg ist die Montage des Glashalters erforderlich. Dieser Glashalter wird aber bei der Inbetriebnahme des Roboters nicht gebraucht, so dass er erst bei Bedarf an Captain Ahab montiert werden sollte. SVN 200,... - Seite 46 Die Aufdopplung G2 (links vorne im Bild, über der Grundplatte zu sehen) wird für den Einsatz des Glashalters auf Captain Ahab nicht benötigt. Daher brauchen lediglich die Haltestege G3 in die Boden- platte gesteckt zu werden, wobei die geraden Kan- ten innen und die Kanten mit dem Knick außen lie-...
- Seite 47 Ständer zurück, denn solche Formen der Fortbewegung überlasten die Servos, vor allem deren Getriebe. Wir hoffen, dass Ihnen der Bau von Captain Ahab Spaß gemacht hat und freuen uns über Rückmeldungen, Kritik, Verbesserungswünsche zum Bausatz und der vorliegenden Bauanleitung „Handbuch Mechanik“.
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Seite 48: A Die Geometrie Von Captain Ahab
Koordinaten P x, y, z einen Satz von Winkeln zu finden, welcher die Einstellung der Gelenke des Roboters be- stimmt. Im Falle von Captain Ahab hat jedes Bein drei Freiheitsgrade für die diese Winkel bestimmt werden müssen. In Abbildung sind die ausschlaggebenden Maße dargestellt. - Seite 49 B Servozuordnung Abbildung 10: Zuordnung von Kalibrierettikett (mit Angabe von Set und Servonummer), Kabelkennzeichnung und Ser- voanschluss der SandboxS 2 zu Bein und Gelenk. Abkürzungen: KC — Korpus-Coxa-Gelenk, CF — Coxa-Femur-Gelenk, FT — Femur-Tibia-Gelenk. Die Nummerierung der Beine erfolgt entgegen dem Uhrzeigersinn.
- Seite 50 Abbildung 11: Graphische Darstellung der Zuordnung von Kalibrierettikett (mit Angabe von Set und Servonummer), Ka- belkennzeichnung und Servoanschluss der SandboxS 2 zu Bein und Gelenk. Abkürzungen: KC — Korpus- Coxa-Gelenk, CF — Coxa-Femur-Gelenk, FT — Femur-Tibia-Gelenk. Die Zuordnung ist in Abbildung auch in Tabellenform dargestellt.