Projektlabor Robotik MINTgrün

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====== Projektdokumentation - Team Flasche ======


=====Einleitung=====
Unser Roboter hat die Hauptaufgabe, eine Flasche zu erkennen und zu öffnen. Hierbei soll der Öffnungsprozess genau dann beginnen, wenn die Flasche von außen an eine bestimmte Stelle gestellt wird. Außerdem soll nach dem Öffnen ein Sirenenton abgespielt werden, um zu signalisieren, das die Flasche geöffnet wurde.

Zwar haben wir uns weder bei der Ideenfindung, noch bei der Umsetzung unseres Roboters von vergangenen Projekten inspirieren lassen, jedoch gab es trotzdem Gruppen in den vergangenen Jahren, die sich mit einem ähnlichen Problem wie wir auseinandergesetzt haben, z.B. die Berliner Bierbuben ([[https://www.mintgruen.tu-berlin.de/robotikWiki/doku.php?id=projektesose18:berlinerbierbubenpublic:start]]) oder die Gruppe BeerBot ([[https://www.mintgruen.tu-berlin.de/robotikWiki/doku.php?id=projekte2014:beerbot:dokumentation]]).


=====Umsetzung=====

====Gesamtsystem====
Die zu lösenden Aufgaben unseres Roboters sind erstens das Erkennen der Flasche, zweitens das Öffnen der Flasche, sowie drittens das Tonsignal. Bewusst haben wir uns bei unserem Projekt auf genau einen Flaschentyp konzentriert. Alles, was darüber hinausgegangen wäre, hätte in unserer Gesamtkonstruktion zu einer starken Erhöhung des Schwierigkeitsgrades geführt, womit die Umsetzung in der gegebenen Zeit kaum möglich gewesen wäre. Außerdem haben wir den anfänglichen Wunsch, dass unser Roboter eventuell auch in ein Glas einschenken könnte, relativ schnell verworfen - ebenfalls aus Zeitgründen.


====Zustandsdiagramm====
In untenstehender Abbildung ist auf einfacher Ebene illustriert, nach welchem Muster unser Roboter grundsätzlich funktionieren soll. Verglichen mit anderen Projekten wird hier sehr deutlich, dass die Funktionsweise und damit auch das Arduino-Programm unseres Roboters keineswegs komplex ist. Viel mehr war die mechanische Umsetzung unserer Idee die echte Herausforderung.
<imgcaption Abbildung 1: Zustandsdiagramm|>{{ :projektesose21:team_flasche:bildschirmfoto_2021-08-06_um_16.09.05.png |}}</imgcaption>



====Grundgestell====
Das Grundgestell unseres Roboters ist ein ca. 70*70*70 cm großer Käfig, in dem alle weiteren Bauteile verbaut sind. Wie bei eigentlich allen Elementen unseres Roboters haben wir uns nicht lange damit aufgehalten, präzise Berechnungen durchzuführen, sondern haben eher „drauf los“ gearbeitet. Diese Arbeitsweise hatte seine Vor- und Nachteile. Im Hinblick auf das Gestell haben sich dadurch lediglich ein paar kleinere Ungenauigkeiten ergeben, z.B. dass wir den einen Pfeiler zur Stabilisation des Hebelarms außerhalb des Holzkäfigs anbauen mussten.
In der zweiten Abbildung ist zu sehen, wie sich unser Endprodukt zusammensetzt. Auf den Nutzen der einzelnen Bauteile werden wir in den folgenden Abschnitten genauer eingehen.
<imgcaption image1|>{{ :projektesose21:team_flasche:bildschirmfoto_2021-08-07_um_17.04.09.png?direct |}}</imgcaption>


====Erkennen der Flasche====

Um zu erkennen, wann eine Flasche geöffnet werden soll, haben wir im Boden unseres Gestells (praktisch unter dem 2. Hubmagneten) einen Mikrotaster eingebaut (siehe Abbildung 2) . Dieser gibt Messwerte aus, an denen sich ablesen lässt, wie viel Druck auf den Schalter des Tasters wirkt. Der Öffnungsvorgang soll also eingeleitet werden, wenn die Messwerte einen bestimmten Wert unterschreiten, bei uns z.B. 50. (Eigentlich sollte der Druck proportional zu den Messwerten sein, d.h. höherer Druck führt zu höheren Messwerten. Aus irgendeinem Grund war dies bei uns andersherum, also weisen Messwerte nahe null darauf hin, dass eine Flasche bereit steht).


====Öffnen der Flasche====

Diese Aufgabe ist mit Abstand die anspruchsvollste, die wir zu lösen hatten. Zwar handelt es sich hier „nur“ um einen einfachen Algorithmus, dessen Schritte der Roboter strikt nacheinander ausführt, jedoch war vor allem die mechanische Umsetzung unserer Idee eine Herausforderung. Um die Flasche vollautomatisch zu öffnen, haben wir versucht, das Prinzip eines einfachen Flaschenöffners auf unseren Roboter zu übertragen. Es fährt also ein Hebelarm, beweglich auf einer Schiene und gestützt durch zwei Pfeiler, an die Flasche heran, um dann, wenn der Hebel perfekt angesetzt ist, die Flasche mit dem Druck von zwei verschiedenen Hubmagneten zu öffnen.

=== 1. Bewegung des Hebelarms ===

Um dafür zu sorgen, dass der Hebelarm beweglich ist und insbesondere auch immer genau so weit an die Flasche heranfährt, dass der Hebel perfekt unter dem Flaschendeckel positioniert ist, haben wir einen Stepper-Motor verwendet. Dieser ist etwas kraftvoller als die Servos in den Sets und dreht sich um 360°. An den Hebelarm haben wir passende Rillen angebracht, sodass die Rotation des Steppers eine lineare Bewegung des Hebelarms auslöst (siehe Abbildung 3). Jeder Step des Motors entspricht hierbei einer Rille auf dem Hebelarm, also einer gewissen Entfernung. Nach ein paar Versuchen konnten wir dann die Anzahl an Steps ermitteln, die Nöte sind, um den Hebelarm perfekt zu positionieren. Nach dem Öffnen der Flasche fährt der Hebelarm wieder in die Ausgangsposition zurück.

<imgcaption image2|>{{ :projektesose21:team_flasche:1.png?direct |}}</imgcaption>

=== 2. Betätigung des Hebels ===

Der Hebel mit dem die Flasche geöffnet wird, ist an sich lediglich ein Stück Holz mit einer scharfen Metallkante. Damit der Hebel gut wirkt, muss natürlich die Flaschen-ferne Hebelseite länger sein, als die Seite mit der Metallkante. Dadurch ist jedoch diese Seite auch schwerer und wir mussten mit Gummis dafür sorgen, dass der Hebel in der richtigen Höhe an die Flasche heranfährt. Wären diese Gummis also nicht da, würde der Hebel auf dem Hebelarm „liegen“ und könnte gar nicht mehr weiter heruntergedrückt werden.
Des Weiteren haben wir zwei Hubmagneten verbaut. Der eine ist an dem vorderen Pfeiler fixiert und übt von oben Druck auf die Flasche aus, um sie hinreichend zu fixieren. Der andere Hubmagnet drückt auf den Hebel, um letztendlich den Flaschendeckel zu entfernen (siehe Abbildung 4).

<imgcaption image3|>{{ :projektesose21:team_flasche:2.png?direct |}}</imgcaption>

====Tonsignal====

Das Tonsignal ist der letzte Schritt in unserem Algorithmus, der durch das Erkenne der Flasche in Gang gesetzt wird. Hierfür mussten wir lediglich einen Piezo-Lautsprecher an unserem Arduino-Board anbringen. Die Programmierung der Sirene hat einen überraschend hohen Anteil an unserem finalen Code, da die restlichen Schritte eben im Verhältnis sehr leicht zu implementieren waren.

====Verwendete Bauteile====
  * 4 1m-Holzstangen
  * 1 Holzplatte
  * 15 Winkel
  * 1 beweglicher Winkel
  * 1 Metallschiene
  * 1 Rillenstange
  * 2 Gummibänder
  * 1 Metallhaken
  * 1 Stepper-Motor
  * 1 Mikrotaster
  * 1 Piezo-Lautsprecher
  * 2 Hubmagneten

====Pinbelegungstabelle====
<imgcaption image5|>{{ :projektesose21:team_flasche:bildschirmfoto_2021-08-07_um_18.25.08.png?direct |}}</imgcaption>

=====Ergebnis/Diskussion=====
Im Verlauf unserer Arbeit konnten wir praktisch jedes Problem beseitigen, welches sich aufgetan hat. Die einzelnen Bauteile arbeiten präzise und sind untereinander stimmig. Das einzige, und leider auch schwerwiegendste Problem, konnten wir allerdings nicht beseitigen: Die Kraft der Hubmagneten reicht nicht aus, um die Flasche ausreichend zu fixieren bzw. um genug Kraft auf den Flaschendeckel auszuwirken. Nüchtern betrachtet erfüllt unser Roboter also nicht seine Hauptaufgabe. Nichtsdestotrotz möchten wir anmerken, dass die Funktionsweise an sich nicht das Problem ist. Nur der Fakt dass die Hubmagneten höchstens eine Spannung von 12 Volt aushalten, ist uns zum Verhängnis geworden. Drückt man beispielsweise mit der Hand auf die Flasche, bzw. Auf den Hebel, so lassen sich Flaschen mit unserem Roboter öffnen. 
Im Nachhinein müssen wir also konstatieren, dass eventuelle Proben mit den Hubmagneten oder das Durchführen von Berechnungen zu Beginn des Semesters womöglich schon viel eher die Erkenntnis gebracht hätten, dass dessen Kraft am Ende nicht ausreichen würde.
Somit ist im Video unten zwar ein an sich funktionierender Roboter zu sehen bzw. zu hören, jedoch ist unser Hebel nicht in der Lage, de Flasche zu öffnen.

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===Programmcode===
{{:projektesose21:team_flasche:flasche.ino.zip|}}
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