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Projekt Argos: Front-Scoop mit Maussensor

Im letzten Blogpost wurde das via 3D-Druck hergestellte Chassis des Mini-Sumo-Roboter Argos vorgestellt. Eines der Ziele von Argos ist die Ausstattung mit umfangreicher Sensorik - so soll z.B. ein Maussensor integriert werden. Aus diesem Grund ist bereits eine Öffnung an jener Stelle im Chassis vorgesehen, wo später der Maussensor integriert werden soll. Der Maussensor wird jedoch nicht direkt in das Chassis montiert (was aufgrund fehlender Montagebohrungen auch gar nicht möglich ist), sondern auf einen sogenannten Front-Scoop. Der Front-Scoop erfüllt mehrere Aufgaben: Er dient zur Aufnahme des Maussensors, stellt die vordere Begrenzung von Argos und damit den Kontaktpunkt zu gegnerischen Mini-Sumo-Robotern dar und soll die dort zu montierenden IR-Distanz-Sensoren vor mechanischer Beschädigung schützen.

Letztes Wochenende war es dann soweit und der Front-Scoop für Argos wurde aus Carbon hergestellt. Das Ausgangsmaterial stellte eine 2 mm Carbon-Prepreg-Platte dar. Prepreg steht für preimpregnated fibers. Das bedeutet, dass die Kohlefasern bereits mit Harz getränkt wurden und ausgehärtet sind.

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Von dieser Platte wurde mit einer Tischkreissägemaschine ein Teilstück herausgeschnitten (Achtung: Unter Umständen können sich durch das rotierende Sägeblatt Splitter von der Carbon-Platte ablösen, unbedingt Schutzbrille tragen und ein feines Sägeblatt verwenden). An der Stelle im Front-Scoop, wo später der Maussensor eingesetzt werden soll, wurden zwei Löcher gebohrt welche über Schrauben und Abstandshalter mit einem quaderförmigen Polycarbonat-Klötzchen verbunden sind. Diese Konstruktion dient zum komfortablen Einspannens des Werkstücks in unsere CNC-Fräse. Im nächsten Foto ist das eingespannte Werkstück dargestellt, eine bessere Darstellung der Werkstückhalterung ist auf einer der nächsten Abbildungen dargestellt.

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Im nächsten Schritt wurde der Front-Scoop unter Verwendung unseres CNC-Shields und dem Programm Universal G-Code Sender herausgeschnitten.

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Auf der nächsten Abbildung ist der Fräsvorgang fast abgeschlossen. Achtung: Es sollte auf jeden Fall mit einem Atemschutz gearbeitet werden, da bei den Fräsarbeiten Kohlefaserstaub entsteht, dessen Einatmung der Gesundheit gewiss nicht zuträglich ist.

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Der fertig ausgeschnittene Front-Scoop ist zusammen mit der Polycarbonat-Klötzchen-Halterung für die CNC Fräse auf der nächsten Abbildung dargestellt.

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Um Klarheit darüber zu bekommen, wo genau die Bohrlöcher gebohrt werden müssen und wo genau später der Maussensor befestigt wird, wurde eine "Anprobe" des Front-Scoops am Chassis von Argos durchgeführt.

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Nachdem dieser Schritt nun erledigt war konnte die Ausnahme für den Maussensor herausgefräst und die Bohrlöcher für Befestigung des Maussensors sowie die Bohrlöcher für die Verbindung von Front-Scoop und Chassis gebohrt werden. Der fertige Front-Scoop ist auf der nächsten Abbildung dargestellt.

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Im nächsten Schritt muss der Maussensor am Front-Scoop befestigt werden sowie der Front-Scoop am Chassis montiert werden. Die dafür benötigten Schrauben wurden bestellt, sobald der Zusammenbau erfolgt ist wird es hier ein kurzes Update geben.

UPDATE: Die Schrauben (M3 Imbus für die Befestigung von Front-Scoop am Chassis sowie M2 Imbus für die Befestigung des Maussensors am Front-Scoop) sind angekommen und alle Komponenten konnten erfolgreich assembliert werden 😉 ... Ansicht von Oben:

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Und die Ansicht von Unten:

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Projekt Argos: Chassis

Im letzten Post zum Projekt Argos wurde die Fertigung der Reifen für den Mini-Sumo-Roboter vorgestellt. Dabei ging es zum Einen um die Felgen, welche aus einem Aluminium-Zylinder herausgedreht wurden, zum Anderen wurden das Gießen des Reifenbelags mit Silikon behandelt. Die Form für das Gießen des Reifenbelags wurde dabei in FreeCAD erstellt und danach mit einem 3D-Drucker ausgedruckt.

Bei der Fertigung des Chassis von Argos wurde ganz ähnlich vorgegangen. Zunächst wurde das Chassis in dem Open-Source CAD-Programm FreeCAD entworfen:

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Danach kann die Zeichnung über das Menü Datei Exportieren als STL-Datei (Meshformat für den 3D-Drucker) exportiert werden. Diese Datei kann anschließend mit einem Programm für die Betrachtung von STL-Dateien, wie z.B. STL View noch einmal genau betrachtet und auf Fehler überprüft werden.

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Danach wurde das Chassis in die Fertigung bei einem 3D-Druckdienstleister gegeben. Das Ergebnis kann sich (im nächsten Bild) sehen lassen 😉

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Im nächsten Schritt wurden die vier Motoren mit den bereits montierten Felgen über je 3 Stück M3 x 5 mm Imbus-Schrauben mit dem Chassis verbunden. Die Wandstärke beträgt 3 mm, womit die Imbus-Schrauben nur 2 mm in die Montagebohrungen auf der Rückseite der Motoren eindringen. Dies klingt zwar nach wenig, reicht aber für eine gute Befestigung jedoch aus. Ab einer Eindringtiefe von 3 mm besteht nämlich die Gefahr, dass man mit der Schraube den Isolierungslack der Motorwindungen an/abkratzt und einen Kurzschluss hervorruft. Dies ist bei meinem Studentenprojekt Quadcopter während der Entwicklung auch tatsächlich einmal passiert, man sollte der Schraubenlänge also auf jeden Fall Beachtung schenken 😉

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Und abschließend noch eine Drauf-/Seitenansicht 😉

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Update: Nach kurzem Abwiegen auf der Küchenwaage zeigt Argos schon ein stolzes Kampfgewicht von 265 g, wobei noch Akku, Sensoren, Elektronik und Frontschürze fehlen 😯

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Projekt Argos: DIY Mini Sumo Robot Reifen

An die Reifen eines Sumo-Roboters werden hohe Anforderungen wie z.B. eine sehr gute Haftung auf Ringoberfläche und eine hohe Abriebfestigkeit des Materials gestellt. Dadurch wird die Auswahl aus den käuflich erhältlichen Reifen auf sehr wenige Produkte eingeschränkt. Bei den Mini-Sumo-Robotern Evolution sowie Sergeant Pain wurden in beiden Fällen RW-Reifen von Solarbotics verwendet. Diese fertig gekauften Varianten haben jedoch einen entscheidenden Nachteil: Sie können nicht nach individuellen Vorgaben an den eigenen Roboter angepasst werden. DIY to the rescue - Machen wir uns die Reifen einfach selbst 😉

Ein Reifen besteht typischerweise aus zwei Komponenten, der Felge sowie des Felgenbelags ("Gummi"). Als erstes muss eine Felge hergestellt werden. Diese können z.B. aus einem Stück Rund-Aluminium mithilfe einer Drehmaschine herausgedreht werden. Für die Reifen von Argos soll der verwendete Motor in der Felge versenkt werden kann. Als Motor wird dabei der AX-2206 80T Brushless Gimbal Motor verwendet:

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Der Vorteil der Versenkung des Motors in der Felge ist die große Platzersparnis, da Motor und Felgen nun zu einem Bauteil kombiniert werden. In einem ersten Schritt wurde daher die Felge in einem CAD-Programm (FreeCAD) entworfen und anschließend auf einer Drehmaschine gefertigt:

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Als nächster Schritt muss eine Form für das Gießen des Gummibelags gefertigt werden. Auch diese wurde in FreeCAD geworfen und anschließend via 3D-Druck hergestellt. Die Form besteht aus zwei Teilen: der Reifenform selbst sowie einem Deckel mit einer M4 Zentrierbohrung.

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Nun kommen wir zu den Vorbereitungen für das Herstellen des Reifenbelags. Dafür werden folgende Utensilien benötigt:

  • Silikon + Härter: Bei Silikon wird die Elastizität in Shore-Werten angegeben, je kleiner der Shore-Wert desto weicher das Material. Für die Herstellung der Argos-Reifen wurde Silikon mit einem Shorte-Wert von 13 verwendet, was bereits ein sehr weiches Material ist.
  • Mischbecher + Mischspatel für die Anmischung von Silikon und Härter
  • Spritze für die Befüllung der Form
  • Waage für die korrekte Herstellung des Mischverhältnisses
  • Vaseline als Trennmittel um den fertigen Reifen zerstörungsfrei aus der Form herauszubekommen

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Als erstes muss die Form innen mit einer dünnen Schicht Vaseline eingeschmiert werden. Dies verhindert, dass sich das Silikon mit der Form "verbindet" und nach dem Aushärten nicht mehr ohne Zerstörung von Reifen und/oder Form herausgelöst werden kann. Danach werden Form und Deckel über vier M3 Schrauben miteinander verbunden und die Felge über eine M4 Schraube durch die M4 Zentrierbohrung mittig in der Form befestigt. Es ist darauf zu achten, dass keine Vaseline auf die Außenwände der Felge kommt, da sonst das Silikon nicht auf der Felge haften kann.

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Nun muss das Silikon mit dem Härter vermischt werden. Achtung: Handschuhe verwenden! Dazu stellt man den Mischbecher auf die Waage und füllt die gewünschten Mengen an Silikon und Härter im gewünschten Mischverhältnis ein. Das hier verwendete Silikon hat ein Mischverhältnis von 1:1. Es wurden daher zuerst 10 g Silikon und anschließend 10 g Härter eingefüllt. Nun muss das Gemisch mit dem Mischspatel gut durchgerührt werden.

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Nach Abschluss des Mischvorgangs kann das fertige Silikon mit einer Spritze aus den Mischbecher aufgesaugt und in die Form gegeben werden. Als maximale Verarbeitungsdauer wird eine Zeitdauer von 40 - 50 Minuten angegeben.

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Das Aushärten dauert dann zwischen 2,5 und 3 Stunden. Sicherheitshalber wurde es über Nacht stehen gelassen und der fertige Reifen erst am nächsten Morgen aus der Form entfernt. Beim Entfernen des Reifens sollte mit Gefühl vorgegangen werden, letztendlich konnten alle unserer Reifen ohne Probleme aus der Form entnommen werden.

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Nach der Montage des Motors im Reifen ist die Baugruppe fertig:

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Viel Erfolg beim Herstellen eurer eigenen Reifen 😉

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Projekt Argos: Heading-Estimation mit mbed und Pololu minimu9 v2 Teil 2

In einem vorangegangenen Blogartikel wurde die Ermittlung des Headingwertes aus den driftkompensierten Gyroskop-Sensordaten des Pololu minimu9 v2 beschrieben. Als Startwert für wurde dabei immer angenommen. Da neben dem Gyroskop aber auch ein Magnetometer sowie ein Beschleunigungssensor im minimu9 v2 Sensor verbaut sind, lässt sich aus diesen Komponenten ein neigungskompensierter elektronischer Kompass für die Berechnung von bauen.

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An dieser Stelle muss festgehalten werden, dass die Berechnung von aus Magnetometer- und Beschleunigungssensordaten nur während der Prä-Start-Phase Sinn macht, da sonst durch die starken Beschleunigungen sowie durch die von den Elektromotoren erzeugten Magnetstörfelder die Daten beider Sensoren unbrauchbar machen. Als Prä-Start-Phase wird dabei jener Zeitraum bezeichnet, in dem der Sumorobot bereits auf dem Ring platziert ist, der Kampf aber noch nicht begonnen hat.

Der mathematische Hintergrund für die Berechnung des neigungskompensierten Headingwerts aus den Daten des Magnetometers und dem Beschleunigungssensor ist in diesem Dokument sehr anschaulich beschrieben. Dennoch sollen die notwendigen Schritte hier noch einmal in abgekürzter Form für Referenzzwecke dargestellt werden:

  • Berechnung der Sensorneigung (Pitch und Roll )

  • Berechnung der neigungskompensierten Komponenten des Magnetometer-Vektors

  • Berechnung von

Diese Gleichungen wurden für das mbed LPC1768 implementiert, der Quellcodes des Programms ist auf dem LXRobotics GitHub Repository miscellaneous im Verzeichnis minimu9-heading-estimation-v2 zu finden.

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