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Sergeant Pain

Allgemeines

Sergeant Pain ist ein Sumo Robot der Mini Klasse (10 x 10 cm, 500 g), der auf der Robot Challenge 2011 in Wien angetreten ist. Beim Sumorobot handelt es sich um eine technische Sportart, bei der es ähnlich dem japanischen Sumoringen um die Entfernung des Gegners aus dem Ring geht. Die technischen Herausforderungen dieses Sports sind: das Detektieren des Gegners durch geeignete Sensorik (Infrarot Distanz-sensoren,

Ultraschalldistanzsensoren), das Hinausbefördern des Gegners aus dem Ring, während der eigene Roboter im Ring bleiben soll. Der Sumo Robot Sergeant Pain wurde in 2 Monaten entwickelt. Das Gewicht mit 496 g sowie die Außenabmessungen 95 x 90 x 140 mm [L x B x H] befinden sich innerhalb der durch das Reglement festgeschriebenen Grenzen. Die Baukosten betrugen ~ 1000 Euro. Diese auf den ersten Blick hohe Summe ist durch den "Trial & Error" Ansatz in der Entwicklung entstanden. So wurden z.B. der Typ der Infrarotdistanzsensoren gewechselt und der Ultraschallsensor weggelassen.

Hardware

Als Chassis wurde ein 3 Ebenen Aufbau gewählt, welche jeweils durch Schrauben verbunden sind. Alle Ebenen sowie Verbindungen wurden aufgrund von Freihandskizzen entworfen und aus einer Aluminumplatte ausgeschnitten - kein einziges CAD Programm war an der Entwicklung der Mechanik beteiligt. Jede der 3 Ebenen hat eine andere Aufgabe:

  • Ebene 0

Motor- und Sensorebene: Hier befinden sich 4 Motoren sowie 4 Infrarotsensoren (1 x Links, 1 x Rechts, 2 x Vorne) vom Typ SHARP GP2Y0D340K. Der Vorteil
dieser Sensoren ist die schnelle Ansprechzeit von ~ 5 ms, verglichen zu typischen Werten von ~ 36 ms bzw. bis zu 70 ms bei Ultraschallsensoren. Der Antrieb ist einer der wichtigsten Faktoren bei einem Sumorobot. Der Motor soll möglichst viel Drehmoment haben, wenig Gewicht und überschaubare Leistungsaufnahme. Aufgrund dieser Anforderungen wurde der Micro Metal Gearmotor 50:1 HP von http://www.pololu.com/ ausgewählt.

Technische Daten:

  • Abmessungen:
    • Größe : 24 x 10 x 12 mm
    • Gewicht : 10 g
    • Motorschaft Durchmesser : 3 mm
  • Allgemeine Daten:
    • Getriebeverhältnis : 50 : 1
    • Laufgeschwindigkeit @ 6V ohne Belastung : 630 rpm
    • Stromaufnahme @ 6V ohne Belastung : 100 mA
    • Stromaufnahme bei blockiertem Motor : 1600 mA
    • Drehmoment bei blockiertem Motor : 1.08 kg*cm

Ein wichtiger Punkt bei der Konstruktion eines Sumorobots ist die Übertragung der Kraft des Motors auf den Boden. Auflagefläche, Rutschfestigkeit und Anpressdruck soll daher möglichst groß sein. Der Anpressdruck ist durch die Gewichtsbeschränkung limitiert und für alle Roboter daher ca. gleich (Ausnahme ist, wenn ein Roboter nur auf einer Achse fährt und ein Teil der Gewichtskraft auf die Rampe wirkt). Für eine größtmögliche Auflagefläche wären glatte Panzerketten ideal. Um die Rutschfestigkeit auf hohen Niveau zu halten müssen die Reifen/Ketten möglichst glatt und "klebrig" sein. Da laut Regelwerk ein Blatt Papier an den Reifen nicht kleben bleiben darf, fällt der Einsatz von Geckopads aus.

Auf Basis dieser Einschränkungen und der Tatsache, dass mit 4 Motoren möglichst viel Motorkraft verbaut werden sollte wurde für Solarbotics RW2i Reifen entschieden.

  • Durchmesser : 31.2 mm
  • Breite : 13.2 mm
  • Gewicht : 12.2 g

Ebene 1

Sensor-, Servo- und Akkuebene: Hier befinden sich 3 Infrarotsensoren (1 x Halblinks, 1 x Halbrechts, 1 x Vorne) sowie der Servo für das Umklappen der Rampe. Ein Mechanismus zum Umklappen der Rampe ist notwendig, da der Roboter mit umgeklappter Rampe deutlich die Größengrenzen überschreitet. Auf dem Servo sind Magneten befestigt, welche die Rampe vor dem Start in aufrechter Position halten. Ebenfalls ist auf dieser Ebene der Akku untergebracht. Dabei handelt es sich um einen LiPo-Akku mit 1000 mAh und 7.4 V.

Ebene 2

Elektronikebene: Hier befindet sich die für die Steuerung von Sergeant Pain zuständige Elektronik. Dabei handelt es sich um 2 miteinander verbundene Boards von denen eines den µC enthält und das andere die Treiber -ICs für die Motoren. Aufgrund der relativ kurzen Vorlaufzeit des Projektes (2 Monate vor Wettbewerb) wurde die Entwicklung einer eigenen Hardware ausgeschlossen und auf bereits fertige und getestete Produkte gesetzt. Zur Steuerung des Sumorobots wird das Microcontroller Board RN-MiniControl mit dem µC Atmel ATMega168 eingesetzt. Die Motoren werden über Pulsweitenmodulation angesteuert. Der Motortreiber muss im Blockierfall/Anlauffall hohe Ströme aushalten. Nachdem der Blockierstrom bei 6 V 1600 mA beträgt und jeweils 2 Motoren parallel geschalten sind muss der Chip mindestens 3200 mA aushalten. Da die Stromversorgung durch einen LiPo (Lithium Polymer)erfolgt muss mit einer maximalen Spannung von 7,4 V gerechnet werden (2 Zellen). Dadurch ergibt sich auch eine höhere Stromaufnahme. Daher das RN-VN2 DualMotor Modul ausgewählt. Ein weiterer Vorteil ist, dass es direkt mit dem Controllerboard durch genormte Stecker verbunden werden kann.

Software

Die Software von Sergeant Pain ist prinzipiell als FSM aufgebaut, wobei die Zustandsüberführung durch 2 Kriterien erfolgen:

  • Ein Ansprechen eines oder mehrerer Sensoren
  • Ein Sensor-Timout (kein Ansprechen eines Sensors über einen längeren Zeitraum)

Den Sensoren sind Prioritäten zugewiesen, welche sich durch eine if-elsif-else Programmierung erreichen lässt. Der Front Sensor hat die höchste Priorität, die Front Links/Front Rechts Sensoren die zweithöchste, die 45 Grad Links/Rechts Sensoren die dritthöchste Priorität und die Links/Rechts Sensoren die vierthöchste Priorität. Bei den gleichprioren Sensoren ist zu beachten, dass jeweils der linke Sensor eine höhere Priorität als der rechte Sensor hat. Da die Sensorpaare 45 Grad Links/Links und 45 Grad Rechts/Rechts die gleiche Aktion bewirken, kann man sie vereinfacht als gleichprior beachten. Nachfolgend ist ein vereinfachtes Sequenzdiagramm für das Kriterium der Zustandsüberführung durch Sensoransprechen dargestellt.

Download Sourcecode

Der Wettbewerb

Im März 2011 habe ich mit dem Sumo Robot Sergeant Pain an der RobotChallenge 2011 in Wien teilgenommen. Im Zuge des Wettbewerbs wurden die Stärken und Schwächen des Roboters klar ersichtlich. Durch seine aufklappbare Rampe war es für ihn ein leichtes, zahlreiche Gegner auf die Schaufel zu nehmen und ihnen dadurch Bodenhaftung zu entziehen. Leider war Sgt. Pain stark untermotorisiert und verfügte über keine Sensoren zur Detektion des Dohyo-Randes (Diese mussten aus Gewichtsgründen eingespart werden). Ein weiterer Nachteil war, dass die 0.5 s, welche der Roboter zum Hinunterklappen der Rampe benötigte, manchmal schon ausreichte, um aus dem Ring befördert zu werden. Als großes Manko hat sich herausgestellt, dass keine standadisierten Akkustecker verwendet wurden: Bedingt durch Wackelkontakte kam es zu mehreren Fehlstarts. Das Fazit lautet: Um aus Sergent Pain einen wettbewerbsfähigen Roboter zu machen, wäre ein nahezu FullScale-Redesign erforderlich.

Video: Best of Sergeant Pain

Pressemeldungen

Quasimodon, Sergeant Pain, Rambot - oder einfach Sissi: Bereits zum achten Mal messen sich in Wien Roboterkonstrukteure mitsamt ihrer ausgefallenen Kreationen bei der "RobotChallenge". 293 Roboter aus 17 Ländern, darunter 39 aus Österreich, kämpfen am 26. und 27. März in der Aula der Wissenschaften in der Wiener Innenstadt in zwölf Disziplinen um die begehrten Medaillen.

Wien - "Hulk", "Destroyer" und "Master of Desaster" hatten wir schon - heuer werden sich unter anderem "Sergeant Pain" und "Rambot" ins robotische Getümmel werfen ... und mittendrin steckt auch eine "Sissi", schließlich soll ja nicht nur gekämpft werden: Es ist wieder Zeit für eine "RobotChallenge"!

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