KUKA-ARM – 5-DOF Roboterarm mit Raspberry Pi

Ein vollständig funktionsfähiger Roboterarm-Controller basierend auf einem 3D-gedruckten 5-DOF-Arm. Das System nutzt einen Raspberry Pi, einen PCA9685 16-Kanal PWM-Treiber und handelsübliche Servo-Motoren für eine Web-basierte Steuerung mit 3D-Visualisierung.

Hardware-Übersicht

Komponenten

Komponente	Typ/Modell	Funktion	Bemerkung
Raspberry Pi	4B oder neuer	Kontrolle + Web-Server	2GB RAM mindestens
PCA9685	16-Kanal PWM Treiber	Servo-PWM-Erzeugung	I²C-gesteuert
J1 (Basis)	Metal MG996R	Basis-Rotation	1A @ 6V, 500-2500µs
J2 (Schulter)	MG996R	Schulter-Hebung	0.8A @ 6V, 500-2500µs
J3 (Ellbogen)	MG90S	Ellbogen-Bewegung	0.3A @ 5V, 600-2400µs
J4 (Handgelenk Pitch)	MG90S	Handgelenk-Neigung	0.3A @ 5V, 600-2400µs
J5 (Handgelenk Roll)	MG90S	Handgelenk-Rotation	0.3A @ 5V, 600-2400µs
Stromversorgung	5-6V, min. 3.5A	Externe Versorgung	NICHT vom Pi!

Anforderungen

Stromversorgung: Externe 5-6V Gleichspannungsquelle mit mindestens 3.5A Leistung
Netzwerk: WiFi oder LAN (für Web-Zugriff)
Python: 3.8 oder neuer

Servo-Spezifikationen

Pulse-Breiten-Übersicht

Die Servosteuerung erfolgt über PWM-Signale bei 50 Hz. Jeder Servo-Typ hat unterschiedliche Pulse-Breiten für 0° und 180°:

Servo-Typ	0° (Min)	90° (Mittel)	180° (Max)	Sicherheit	Notizen
Metal MG996R	500µs	1500µs	2500µs	±10µs	Robust, höheres Drehmoment
MG996R	500µs	1500µs	2500µs	±10µs	Standard-Servo
MG90S	600µs	1500µs	2400µs	±20µs	Konservativ: verhindert Beschädigungen

Wichtig: MG90S-Servos verwenden engere Pulse-Breiten (600-2400µs statt 500-2500µs) zum Schutz vor Beschädigung bei falscher Steuerung.

Winkelbereich je Gelenk

Gelenk	Min	Mittel (Home)	Max	Grund
J1 Basis	0°	90°	180°	Vollständige Rotation
J2 Schulter	30°	90°	150°	Mechanische Limits
J3 Ellbogen	0°	90°	160°	Arbeitsraum
J4 Pitch	0°	90°	180°	Greifer-Neigung
J5 Roll	0°	90°	180°	Greifer-Rotation

Netzteil-Dimensionierung

Stromberechnung

Die Gesamtleistung ist die Summe aller Servo-Stromaufnahmen im worst-case (alle Servos gleichzeitig unter Last):

J1 (Metal MG996R) @ 6V:       1.0A
J2 (MG996R)       @ 6V:       0.8A
J3 (MG90S)        @ 5V:       0.3A
J4 (MG90S)        @ 5V:       0.3A
J5 (MG90S)        @ 5V:       0.3A
─────────────────────────────────
Gesamt:                       2.7A @ avg

Mit Reserve (15%):            3.1A
Mit Sicherheitspuffer:        3.5A empfohlen

Empfehlung: Mindestens 3.5A @ 5-6V externe Stromversorgung

Netzteil-Auswahl

Zu wenig Strom → Servos zittern, reagieren langsam oder frieren ein
Zu viel Strom → keine Probleme (modernes Netzteil regelt runter)
Falsche Spannung → Servos beschädigt

Gute Optionen:

Mean Well LRS-50-5 (5V, 10A) – robust, industriell
Meanwell GSM90A05 (5V, 18A) – overkill, aber sicher
USB-C Power Delivery 5V/3A+ (einfach zu beschaffen)
Alte Laptop-Netzteile (bei Kompatibilität überprüfen)

Stromanschluss

┌─────────────────────────────────────────────┐
│  Externe Stromversorgung (5-6V, 3.5A+)     │
└──────┬──────────────────────────┬───────────┘
       │                          │
       │ (Red +)                 │ (Black -)
       └────┬─────────────────────┴────┐
            │                          │
     ┌──────▼────────────────────────▼─┐
     │  PCA9685 Schraubklemmen        │
     │  V+: Rot vom Netzteil          │
     │  GND: Schwarz vom Netzteil     │
     └────┬─────────────────────────┬──┘
          │                         │
     (Intern an alle Servos)   (GND gemeinsam mit Pi)

Verdrahtungsanleitung

1. Raspberry Pi ↔ PCA9685 (I²C-Bus)

Der PCA9685 wird über I²C (GPIO 2 und 3) mit dem Pi verbunden:

Raspberry Pi Pin   →   PCA9685 Pin   Funktion
─────────────────────────────────────────────
Pin 1 (3.3V)      →   VCC           3.3V Logik
Pin 3 (GPIO2/SDA) →   SDA           I²C Daten
Pin 5 (GPIO3/SCL) →   SCL           I²C Takt
Pin 6 (GND)       →   GND           Masse (Pin 2)
Pin 6 (GND)       →   OE            Output Enable (dauerhaft aktiv)

Raspberry Pi GPIO-Header (Vorderseite, 2×20 Pin):

   3V3  [1] [2]  5V     ← Hier KEINE Verbindung zur 3.3V!
   SDA  [3] [4]  5V     ← GPIO2 = SDA
   SCL  [5] [6]  GND    ← GPIO3 = SCL, GND

2. PCA9685 ↔ Servos

Der PCA9685 hat 16 Kanäle (0-15). Wir verwenden die ersten 5 für die Gelenke:

PCA9685        Gelenk    Servo-Typ           Signal-Pin
───────────────────────────────────────────────────────
PWM 0          J1        Metal MG996R        +Rot, GND, Signal(gelb)
PWM 1          J2        MG996R              +Rot, GND, Signal(gelb)
PWM 2          J3        MG90S               +Rot, GND, Signal(gelb)
PWM 3          J4        MG90S               +Rot, GND, Signal(gelb)
PWM 4          J5        MG90S               +Rot, GND, Signal(gelb)

Servo-Stecker (Standard 3-Pin):

Servo-Stecker          PCA9685 Anschluss
──────────────────────────────────────────
Signal (gelb/weiß)  →  PWM-Pin (0-4)
+Power (rot)        →  V+ (Schraubklemme)
Ground (braun/schwarz) → GND (Schraubklemme)

3. Stromversorgung (KRITISCH!)

┌──────────────────────────────────────────────┐
│ Externe Stromversorgung (5-6V, min. 3.5A)   │
│  + (Rot) → PCA9685 V+ (Schraubklemme)       │
│  - (Schwarz) → PCA9685 GND (Schraubklemme)  │
└──────────────────────────────────────────────┘
                     │
         ┌───────────┴───────────┐
         │                       │
         ↓                       ↓
    Alle Servo-Plus      Alle Servo-Minus
    (gemeinsame Leitung) (gemeinsame Leitung)
         │                       │
         └───────────┬───────────┘
                     │
              (Mit Pi GND verbunden)

Fehler vermeiden:

❌ Nicht den Pi's 5V-Pin für Servo-Stromversorgung verwenden
❌ Nicht den Pi's 3.3V mit PCA9685 VCC verbinden (nur 3.3V für Logik)
✅ Immer Pi und Servos mit gemeinsamer Masse (GND) verbinden

4. Beispiel-Verdrahtungsdiagramm (ASCII)

                  Raspberry Pi 4
                  ┌──────────────┐
              3V3 │[1] [2] 5V    │
              SDA │[3] [4] 5V    │
              SCL │[5] [6] GND   │
                  └───┬──────┬───┘
                      │      │
                    [SDA]  [SCL]
                      │      │
            ┌─────────┴──────┴─────┐
            │   PCA9685 PWM Board  │
            │ VCC (3.3V von Pi)    │
            │ GND (mit Pi GND)     │
            │ SDA / SCL            │
            │                      │
            │ PWM 0,1,2,3,4 (→Servos)
            │ V+ / GND (Externe Stromvers.)
            └──────┬──────────┬────┘
                   │          │
         ┌─────────┴┐      ┌──┴──────┐
         │ +6V      │      │ GND     │
         ↓          ↓      ↓         ↓
    ┌────────┐ ┌────────┐ (gemeinsame Rückleitung)
    │J1 Servo│ │J2 Servo│ (alle Servos teilen sich GND)
    │MG996R  │ │MG996R  │
    └────────┘ └────────┘
    
    ┌────────┐ ┌────────┐ ┌────────┐
    │J3 Servo│ │J4 Servo│ │J5 Servo│
    │MG90S   │ │MG90S   │ │MG90S   │
    └────────┘ └────────┘ └────────┘

Installation

Schritt 1: Raspberry Pi vorbereiten

# 1. SSH in den Pi (falls nicht lokal)
ssh pi@<pi-ip>

# 2. System aktualisieren
sudo apt update && sudo apt upgrade -y

# 3. Git und Python-Tools installieren
sudo apt install -y git python3-pip python3-venv

Schritt 2: I²C aktivieren

# Bearbeitungstool öffnen (oder via raspi-config)
sudo nano /boot/firmware/config.txt

# Suche nach dieser Zeile und stelle sicher, dass sie nicht kommentiert ist:
# dtparam=i2c_arm=on

# Falls nicht vorhanden, am Ende der Datei hinzufügen:
# dtparam=i2c_arm=on

# Speichern (Ctrl+X, dann Y, Enter)

Alternativ mit raspi-config:

sudo raspi-config
# → Interface Options → I2C → Enable
# → Finish

I²C-Devices überprüfen:

sudo i2cdetect -y 1

# Erwartete Ausgabe:
#      0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f
# 00:          -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
# 10: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
# 20: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
# 30: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
# 40: 40 -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --   ← 0x40 ist der PCA9685
# ...

Schritt 3: Repository klonen

# Repository auf dem Pi klonen
cd ~
git clone https://github.com/<dein-github>/kuka-arm.git
cd kuka-arm

Schritt 4: Abhängigkeiten installieren

# Python Virtual Environment erstellen
python3 -m venv venv
source venv/bin/activate

# Abhängigkeiten installieren
pip install -r requirements.txt

Schritt 5: Konfiguration

# .env-Datei erstellen
nano .env

# Folgende Inhalte eintragen:
WIFI_SSID=KUKA-ARM
WIFI_PASSWORD=kuka1234
LOGIN_USER=admin
LOGIN_PASSWORD=kuka123
SECRET_KEY=your-random-32-char-secret-key
PORT=80

Schritt 6: Setup-Skript ausführen

# Setup-Skript ausführbar machen
chmod +x setup.sh
chmod +x setup_hotspot.sh

# Setup ausführen (erstellt Systemd-Service, etc.)
sudo ./setup.sh

Schritt 7: Hotspot konfigurieren (optional)

Falls der Pi als WiFi-Hotspot fungieren soll:

# Hotspot einrichten
sudo ./setup_hotspot.sh

# Nach Reboot ist der Pi unter 192.168.4.1 erreichbar
# Verbindung: KUKA-ARM, Passwort: kuka1234

Schritt 8: App starten

# Manuell starten (für Tests)
./start.sh

# ODER Systemd-Service starten (läuft beim Boot automatisch)
sudo systemctl start kuka-arm
sudo systemctl status kuka-arm

Inbetriebnahme

1. Hardware-Test

Nach der Verdrahtung VOR der ersten Benutzung testen:

# Im kuka-arm-Verzeichnis:
python3 test_servo.py

# Folgende Abläufe sollten zu sehen sein:
# - J1 (Basis) dreht langsam 0° → 180° → 0°
# - J2 (Schulter) folgt
# - J3-J5 folgen
# Falls ein Servo nicht reagiert: Verdrahtung/PWM-Kanal überprüfen

2. Web-Oberfläche aufrufen

Wenn Pi direkt mit Netzwerk verbunden:

http://<pi-ip>:80

Wenn Pi als Hotspot läuft:

1. WiFi-Netzwerk "KUKA-ARM" verbinden
2. Browser öffnen: http://192.168.4.1
3. Ein Gerät nach dem anderen verbinden (1 Session)

3. Erste Bewegungen

1. Oberfläche laden → "KUKA-ARM smartPAD bereit"
2. [FREIGABE] Button drücken (grün)
3. Mit Joystick oder Achsen-Schiebereglern testen
4. [E-STOP] (rotes X) sollte sofort stoppen
5. Nach E-Stop: [ESC]-Taste drücken um zu quittieren

4. Kalibrierung

Erste Kalibrierung durchführen:

1. Menü: "Kalibrierung"
2. Pro Gelenk (J1-J5):
   - "Jetzt anfahren" drücken
   - Roboter-Position von Hand einstellen
   - "Position setzen" drücken
   - Min/Max-Grenzen mit Buttons testen
3. "Speichern" drücken → robot.yaml wird aktualisiert

Fehlerbehebung

Problem: PCA9685 nicht erkannt

Symptom: I2C device 0x40 not found

Lösungen:

I²C aktivieren überprüfen:

sudo i2cdetect -y 1
# Sollte "40" in der Matrix zeigen

Pin-Verdrahtung überprüfen:
- SDA (Pi Pin 3) → PCA9685 SDA
- SCL (Pi Pin 5) → PCA9685 SCL
- GND (Pi Pin 6) → PCA9685 GND
Pull-up-Widerstände:
- Oft schon auf dem PCA9685-Board vorhanden
- Falls nicht: 4.7kΩ zwischen SDA+3.3V und SCL+3.3V

Problem: Servos bewegen sich gar nicht

Überprüfung:

# Test-Script mit Debugging starten
python3 test_servo.py
# → Sollte jeden Servo einzeln anfahren

# Wenn keine Bewegung:
# 1. Externe Stromversorgung überprüfen (Voltmeter: 5-6V zwischen V+ und GND)
# 2. Servo-Stecker überprüfen (Signal/Plus/Minus richtig angesteckt?)
# 3. Servo-Kanal in test_servo.py richtig?

Problem: Servos zittern oder frieren

Ursachen:

Zu wenig Strom: Netzteil-Ampere erhöhen
Zu wenig Stabilisierung: Große Kondensatoren (1000µF) zwischen V+ und GND hinzufügen
Rauschen auf Signal: Servo-Signal-Leitung weg von Stromkabeln führen

Erste Hilfe:

# Wenn in Betrieb, Arm deaktivieren
# (FREIGABE-Button)
# → Servos geben sofort los

Problem: Web-Oberfläche reagiert nicht

# Service-Status überprüfen
sudo systemctl status kuka-arm

# Logs ansehen
sudo journalctl -u kuka-arm -f

# Manuell starten (mit Output)
cd /home/pi/kuka-arm
source venv/bin/activate
python3 app/main.py

Problem: Hotspot startet nicht

# Hostapd Status überprüfen
sudo systemctl status hostapd

# Logs
sudo journalctl -u hostapd -f

# Neustart
sudo systemctl restart hostapd dnsmasq

Problem: Servo zuckt beim Einschalten

Normal: Beim Power-up können Servos zucken (PCA9685 sucht sich Null-Punkt).

Wenn es problematisch ist:

Servo-Kalibrierung überprüfen (robot.yaml)
External Power Supply durchmessen (sollte stabil 5-6V sein)

Sicherheit

Elektrische Sicherheit

Externe Stromversorgung verwenden – nicht vom Pi
Netzteil abschalten vor Verdrahtungsänderungen
Gesamtstrom überwachen – bei >4A: Fehlersuche
Kabelquerschnitt – mindestens 1mm² für Servokabel

Mechanische Sicherheit

E-Stop immer erreichbar (rotes X auf Web-Oberfläche)
Freigabe-Schaltung (grüner FREIGABE-Button) nutzen
Arbeitsraum-Limits im Konfigurationsmenu einstellen
Beobachtung während der Bewegung erforderlich
Notfall: Stromversorgung abschalten

Software-Sicherheit

Einzige aktive Session – neuer Login invalidiert alte
Timeout nach 10 min inaktiv – Arm deaktiviert sich selbst
WebSocket-Verschlüsselung (WSS) in Produktion nutzen

Weiterführende Ressourcen

PCA9685 Datenblatt: Adafruit PCA9685 Servo Driver
Servo-Datenblätter: MG996R, MG90S Spezifikationen
Three.js Dokumentation: https://threejs.org/docs/
FastAPI Dokumentation: https://fastapi.tiangolo.com/
Raspberry Pi I²C: https://www.raspberrypi.org/documentation/hardware/raspberrypi/spi/README.md

Support & Fehlerberichte

Bugs oder Fragen? Öffne ein Issue auf GitHub oder kontaktiere den Maintainer.

Lizenz: MIT

Letztes Update: Mai 2026

Name		Name	Last commit message	Last commit date
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app		app
config		config
static		static
.gitignore		.gitignore
README.md		README.md
kuka-arm.service		kuka-arm.service
requirements.txt		requirements.txt
setup.sh		setup.sh
setup_hotspot.sh		setup_hotspot.sh
start.sh		start.sh
test_servo.py		test_servo.py

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